Physiker beobachten erstmals Quanten-Raum-Zeit-Limit

Ein Team an der Universität Regensburg und dem Max-Planck-Institut beobachtete eine neue Quantenbeschränkung bei der gleichzeitigen Messung von Position und zeitlicher Entwicklung eines Elektrons und veröffentlichte die Ergebnisse am Donnerstag in Nature Photonics.nature+1
Das "Raum-Zeit-Limit" unterscheidet sich von der Heisenbergschen Unschärferelation und regelt stattdessen den Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung und zeitlicher Präzision bei Elektronenmessungen.nature+1
Die verwendete Technik nutzte lichtwellengetriebene Rastertunnelmikroskopie mit Sub-Angström- und Attosekunden-Präzision, was zukünftige Designs von Quantengeräten beeinflussen könnte.nature+1

Physiker haben erstmals ein fundamentales Quantenlimit beobachtet, das angibt, wie präzise Position und zeitliche Entwicklung eines einzelnen Elektrons gleichzeitig gemessen werden können, so eine am 3. Juli 2026 in Nature Photonics veröffentlichte Studie.uni-regensburg+1

Eine neue Quantenbeschränkung

Die Forschung, die von einem Team am RUN (Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy) der Universität Regensburg unter der Leitung der Professoren Jascha Repp, Rupert Huber, Franz Giessibl und Klaus Richter in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Angel Rubio am Max-Planck-Institut in Hamburg durchgeführt wurde, zeigt, dass atomar aufgelöste, lichtwellengetriebene Rastertunnelmikroskopie mit Attosekunden-Zeitauflösung einzelne Elektronen beim Tunneln durch eine Barriere verfolgen kann – jedoch nur bis zu einem gewissen Punkt.nature+1

Das Team fand heraus, dass eine höhere räumliche Auflösung bei der Abbildung der Elektronenposition auf Kosten der zeitlichen Präzision geht und umgekehrt. Dieser Kompromiss stellt das dar, was die Forscher als "Raum-Zeit-Limit" bezeichnen – eine Beschränkung, die sich von der bekannten Heisenbergschen Unschärferelation unterscheidet, welche Position und Impuls regelt. Stattdessen gilt das neu bestätigte Limit für Position und Zeit und offenbart eine intrinsische Eigenschaft quantenmechanischer Elektronenwellenfunktionen.idw-online+1

Wie es durchgeführt wurde

Die Forscher verwendeten lichtwellengetriebene Rastertunnelmikroskopie, die einzelne Zyklen von Terahertz- und mittelinfrarotem Licht einsetzt, um tunnelnde Elektronen mit Sub-Angström-räumlicher Auflösung und Attosekunden-Zeitpräzision zu untersuchen. Nach der Anregung wurde beobachtet, wie Elektronen durch den Übergang des Mikroskops tunnelten, und das Team verfolgte ihre intrinsische Quantenbewegung auf Skalen, auf denen das Raum-Zeit-Limit sichtbar wird.nature+1

Die Arbeit mit dem Titel "Tracking electrons at the space-time limit" listet Autoren wie K. Richter, F. J. Giessibl, F. P. Bonafé, M. A. Huber, A. Rubio, J. Repp und R. Huber auf.idw-online

Auswirkungen auf Quantentechnologien

Die Ergebnisse haben Konsequenzen für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien. Indem die Arbeit eine messbare Grenze dafür etabliert, was über das Verhalten eines Elektrons in Raum und Zeit bekannt sein kann, bietet sie einen Rahmen für das Verständnis der Elektronentunneldynamik auf ihrer fundamentalsten Ebene. Dies könnte das Design von Quantengeräten beeinflussen, die auf präzise kontrolliertem Elektronenverhalten auf atomarer Skala beruhen.

Quellen (40)