SPIEGEL ONLINE - 05. September 2006, 09:59
URL: https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,433404,00.html

Experiment

Bleistift statt schwarzer L�cher

Von Franziska Badenschier

Jahrezehntelang vermuteten Physiker die L�sung im All. Schwarze L�cher sollten beweisen, dass Elektronen durch Stoffe tunneln k�nnen - theoretisch. Experimentell ist das exotische Klein-Paradox noch immer nicht aufgel�st. Nun k�nnten simple Bleistift-Striche helfen.

Schwarze L�cher und Bleistifte haben an sich nichts gemeinsam. Nur eines vielleicht: Mit ihnen lie�e sich endlich ein exotisches Paradoxon im Labor aufl�sen. Benannt ist es nach dem schwedischen Physiker Oskar Klein. Der entdeckte 1929, dass kleine Teilchen - wenn sie schnell genug sind - durch hohe Barrieren flitzen, als ob es diese gar nicht g�be. Physiker sprechen da vom Tunneln. Vor zwei Jahren wurde das R�tsel zwar auf dem Papier gel�st - vorf�hren konnte es bisher niemand.

Bleistiftstrich: Schicht aus Kohlenstoff als Nachweis f�r tunnelnde Elektronen
SPIEGEL ONLINE

Bleistiftstrich: Schicht aus Kohlenstoff als Nachweis f�r tunnelnde Elektronen

Erstmals einen konkreten Versuchsaufbau beschreibt ein Team um den Nanotechnologen Andre Geim von der University of Manchester: Der von Klein beschriebene Tunneleffekt lie�e sich mit Graphenen herbeif�hren. Mit diesen Schichten aus Kohlenstoff, wie sie beim Schreiben mit einem Bleistift entstehen, k�nne man das Klein-Paradoxon im Labor nachweisen, schreiben die Forscher im Fachblatt "Nature Physics".

Die Worte der Physiker helfen, das Exotische an dem physikalischen Ph�nomen zu verstehen: Schie�t man ein Elektron auf eine Barriere, dann kommt es normalweise nicht dar�ber hinweg, wie �ber einen Berg, der einfach zu hoch ist. Das Teilchen hat einfach nicht gen�gend Energie, es ist nicht schnell genug. Paradoxerweise schienen einzelne Elektronen aber gerade bei besonders massiven Barrieren hindurchzukommen, obwohl sie doch gleichsam besonders gro�e Berge darstellten. "Tunneln" nannten Experten das bizarre Verhalten daher - doch verstanden haben sie es jahrezehntelang nicht.

Vor zwei Jahren gelang einem Team von Physikern dann, das Klein-Paradoxon wenigstens mathematisch zu l�sen: "Der Berg beinhaltet so starke elektrische Felder, dass er aus dem Vakuum heraus Elektronen und dementsprechend viele Antiteilchen, also Positronen, erzeugt", erkl�rt Rainer Grobe von der Illinois State University. Der aus Deutschland stammende Physiker war damals an der Arbeit mit beteiligt.

Quantenmechanik noch zu simpel

Dass der Berg Materie-Antimaterie-Paare produziert, kann man mit der Quantenmechanik, die Klein f�r die Beschreibung seines Paradoxons verwendet hat, nicht sehen. "Die Quantenmechanik ist zu simpel, um mit ihr die superkritischen Felder in den Bergen zu beschreiben", so Grobe. Er und seine Kollegen hingegen h�tten mit der Quantenfeldtheorie gearbeitet - die �bergeordnet und somit allgemeing�ltig ist.

Ihrer Theorie zufolge tunnelt das auf den Berg geschossene Elektron nicht, sondern st�rt den Prozess, Teilchenpaare zu produzieren. Dadurch w�rden weniger Teilchen erzeugt und es entst�nde ein Loch im Positronenfluss. Nicht Tunneln, sondern Unterdr�ckung sei deswegen das Zauberwort. "Das kann man sich wie bei einem Gartenschlauch vorstellen, bei dem das herausspritzende Wasser den Positronenfluss darstellt", erkl�rt Grobe im Gespr�ch mit SPIEGEL ONLINE. "Wenn man mit einem Finger kurz die �ffnung zuh�lt und dann den Finger wieder weg nimmt, dann entsteht im Wasserstrahl eine L�cke."

Dieses Ph�nomen lie� sich mithilfe von Computersimulationen mathematisch beschreiben. Das Klein-Paradaxon war somit gel�st - auf dem Papier. Experimentell nachgewiesen ist das alles bis heute nicht. Denn f�r den Nachweis br�uchte man atomare Systeme mit extrem hohen elektrischen Feldern - wie man sie beispielsweise in Schwarzen L�chern vermutet. Mit denen l�sst sich hier auf Erden aber nunmal nicht experimentieren. Mit Graphen schon.

Kohlenstoff statt Schwarzes Loch im Labor

Graphen entsteht zum Beispiel, wenn man mit einem Bleistift auf ein Blatt Papier schreibt: eine einfache Schicht aus Kohlenstoffatomen - also keine dreidimensionale Anordnung, wie man sie in Graphit und Diamanten findet. Dementsprechend sieht das Gitter aus wie die Draufsicht auf Honigwaben.

2002 wurden Graphene erstmals isoliert - von Geim und seinen Kollegen. Seitdem experimentieren sie und andere Forscher mit diesem noch recht unbekannten Stoff. Es h�tte sich gezeigt, dass das Graphen-Gitter eine �hnliche numerische Beschreibung habe wie Schwarze L�cher, sagt Physiker Grobe. So kommen - zumindest bildlich - Schwarze L�cher in Bleistifte. Deswegen m�sste das Klein-Paradoxon auch in Graphenen auftauchen, sich also auch im Labor vorf�hren lassen, schreibt Geims Team.

Die Forscher denken an einen einfachen Schaltkreis mit einem Graphen-Band, das von einer Barriere - einem Halbleiter - unterbrochen wird. Indem man an den Halbleiter eine bestimmte Spannung anlege, lie�e sich die Barriere f�r die Elektronen erh�hen.

Gem�� des Klein-Paradoxons d�rften bei einer geringen Spannung die kleinen Teilchen nicht �ber den Berg kommen. Wenn der Berg aber gro� genug ist, dann m�ssten die Elektronen durch den Stoff hindurchtunneln k�nnen, als g�be es ihn gar nicht.

Mit Hilfe der Graphene lie�e sich also Kleins Paradoxon in einem Labor vorf�hren, folgern Geim und seine Kollegen. "Da man diesen Effekt hier an- und ausschalten kann, k�nnte man ihn f�r die Entwicklung neuer Transistor-Arten nutzen", sagte Geim. In ein paar Jahren wollen die Forscher ihr Experiment erstmals richtig durchf�hren, bisher existiert ja auch ihr Versuchsaufbau blo� auf dem Papier.


 

� SPIEGEL ONLINE 2006
Alle Rechte vorbehalten
Vervielf�ltigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH





Zum Thema:

Zum Thema im Internet:   
Wie das Klein- Paradox experimentell bewiesen werden kann:Fachartikel von Geim et. al.
https://arxiv.org/abs/cond- mat/0604323