In der Quantenwelt gelten andere Gesetzmäßigkeiten als in der klassischen Physik. So besagt die Heisenbergsche Unschärferelation beispielsweise, dass Aufenthaltsort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig mit hoher Präzision gemessen werden können. Doch diese „Unschärfe“ gilt nicht für alle Messgrößen: „Zwischen Zeit und Ort gibt es keine Unschärferelation“, erklären Simon Maier von der Universität Regensburg und seine Kollegen. Das bedeutet: Theoretisch müsste man die zeitliche Struktur der Wellenfunktion eines Elektrons messen können, ohne dass dies ihre räumliche Ausdehnung beeinflusst.
„Allerdings sind Zeit (Δt) und Raum (Δx) bei Elektronen oft in nichttrivialer Weise miteinander gekoppelt, wenn die Elektronen ultraschnellen Veränderungen ausgesetzt sind“, erklären die Physiker. Solche Veränderungen treten beispielsweise beim Tunneln und in chemischen Reaktionen auf. Wie diese Kopplung konkret aussieht und wie sie sich auswirkt, war bislang schwer zu beobachten, weil dies eine zeitliche Auflösung der Messungen im Attosekunden-Bereich erfordert.
Tunnelnde Elektronen und ultraschnelle Laserpulse
Jetzt ist es Maier und seinen Kollegen erstmals gelungen, das Verhalten von Elektronen an dieser Raum-Zeit-Grenze zu beobachten. Für ihr Experiment platzierten sie ein einzelnes Kupferatom auf einer Silberoberfläche in einem Rastertunnelmikroskop. Die ultrafeine, nur ein Atom dicke Metallspitze des Mikroskops schwebte dabei nur wenige Atomdurchmesser über dem Kupferatom. Dann beschossen die Physiker die Mikroskopspitze mit zwei ultrakurzen Laserpulsen in leicht unterschiedlichen, nicht überlappenden Nahinfrarot-Wellenlängen.
Die Laserblitze ermöglichen es den Elektronen der Oberflächenatome, die Energiebarriere zwischen Spitze und Oberfläche zu durchtunneln. „Indem wir den zeitlichen Abstand zwischen den zwei Laserimpulsen variieren, können wir direkt beobachten, wie die Elektronen darauf reagieren“, erklärt Maier. Die Laserpulse dienen dadurch gleichzeitig als Messhilfen, durch die sich der zeitliche Verlauf und die räumliche Ausdehnung der Elektronen-Wellenfunktion messen lässt.
„Unsere Messung lässt sich wie eine Hochgeschwindigkeitskamera für die Elektronen-Wellenpakete verstehen, da man sieht, zu welcher Zeit der Tunnelprozess stattfindet", erklärt Maiers Kollegin Katharina Glöckl.
Schematischer Aufbau des Experiments. — © Maier et al./ Nature Photonics, CC-by 4.0
Elektronenwellen reagieren verzögert und mit Größenzunahme
Die Messungen zeigten: Wenn Elektronen durch Lichtblitze auf so kurzen Zeitskalen bewegt werden, hat dies zwei Konsequenzen. Zum einen reagiert das Elektron nicht sofort auf den ersten Laserpuls, sondern mit einer winzigen Verzögerung von rund 500 Attosekunden. Zum anderen verändert sich die räumliche Ausdehnung der Elektronen-Wellenfunktion: Je höher die Energie und Verzögerung sind, desto größer ist das Volumen des Wellenpakets, wie die Physiker ermittelten.
Das bedeutet: Obwohl die Heisenbergsche Unschärferelation für Zeit und Ort eines Elektrons nicht gilt, sind diese beiden Merkmale bei sehr schnellen, energiereichen Elektronenbewegungen nicht gleichzeitig beliebig genau messbar. „Je genauer wir das Elektron zeitlich festnageln wollen, desto mehr Energie müssen wir hineinstecken. Dadurch breitet sich das Elektronenpaket räumlich stärker aus“, erklärt Maiers Kollege Raffael Spachtholz. „Dies führt zu einer faszinierenden Korrelation zwischen dem verzögerten Timing der Tunnel-Elektronen und ihrer räumlichen Ausdehnung“, so das Team.
Wichtig für Grundlagenphysik, aber auch Anwendungen
Die Messungen bestätigen damit, dass die bisher nur theoretisch angenommene Raum-Zeit-Grenze bei Elektronen tatsächlich existiert. Dies eröffnet neue Einblicke in fundamentale elektromagnetische Wechselwirkungen, aber auch in die Prozesse bei chemischen Reaktionen. „Diese dynamische Umformung der Elektronen-Wellenfunktionen spielt gängiger Annahme nach auch eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Spaltung chemischer Bindungen“, erklären die Physiker.
Auch für Quantentechnologie und Computer könnten die Resultate wichtig sein: „Auf lange Sicht könnten die gewonnenen Erkenntnisse dazu beitragen, Elektronik und Quanteninformationsverarbeitung an der intrinsischen Geschwindigkeitsgrenze der Elektronenbewegung selbst zu betreiben – hunderttausendfach schneller als die derzeit vorherrschende CMOS-Technologie“, erklärt Seniorautor Rupert Huber von der Universität Regensburg.
Quelle: Simon Maier (Universität Regensburg) et al., Nature Photonics, 2026; doi: 10.1038/s41566-026-01932-0
