Die Experimente mit supraleitenden Schaltkreisen zeigen: Auch viele Teilchen zusammen können sich wie ein einziges Quantensystem verhalten – ein Schritt, der völlig neue Möglichkeiten für Quantencomputer, hochpräzise Sensoren und moderne Messtechnologien eröffnet.

Die Nobelpreisträger bauten für Ihre Experimente einen elektrischen Schaltkreis aus Supraleitern, in dem die Elektronen sich zu sogenannten Cooper-Paaren zusammenschließen und gemeinsam wie ein einziges, großes Teilchen agieren.

Was sind Cooper-Paare?

In einem normalen Metall bewegen sich Elektronen unabhängig voneinander und stoßen bei ihrem Fluss ständig an die Gitter der Atome, was elektrischen Widerstand erzeugt. Bei sehr tiefen Temperaturen kann sich das Verhalten der Elektronen jedoch grundlegend ändern: Zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin und Impuls können sich zu einem Cooper-Paar verbinden.

Das Besondere: Obwohl sich Elektronen normalerweise abstoßen, wirkt in einem Supraleiter eine schwache Anziehung über die Schwingungen des Atomgitters. Diese Paarbildung sorgt dafür, dass die beiden Elektronen synchron und koordiniert durch das Material gleiten – ohne Widerstand. Anders gesagt: Statt chaotisch einzeln herumzurasen, bewegen sich die Cooper-Paare wie ein „Team“, das gemeinsam den Strom transportiert.

Warum ist das kollektive Verhalten eine Grundlage für Supraleitung?

Dieses kollektive Verhalten ist die Grundlage für Supraleitung und erklärt, warum elektrische Ströme in einem Supraleiter ohne Energieverlust fließen können. In den Experimenten der Nobelpreisträger agieren diese Cooper-Paare sogar zusammen wie ein einziges riesiges Quantenteilchen.

Das System konnte durch Hindernisse „tunneln“ – also plötzlich an einem Ort auftauchen, den es nach klassischen Regeln nicht erreichen dürfte – und nahm dabei Energie nur in diskreten Portionen auf.

Experimente auf makroskopischer Ebene

Damit zeigten die Experimente eindrucksvoll, dass Quanteneffekte nicht auf einzelne Teilchen beschränkt sind, sondern auch in Systemen mit vielen Teilchen gleichzeitig auftreten können. Solche Erkenntnisse liefern nicht nur wichtige Einblicke in die Grundlagen der Quantenphysik, sondern bieten  auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Quantencomputern, präzisen Sensoren und modernen Messtechnologien.

Was versteht man unter Tunneln?

Die klassische Quantenmechanik beschreibt Eigenschaften, die auf der Skala einzelner Teilchen relevant sind. In der Quantenphysik werden diese Phänomene als mikroskopisch bezeichnet, selbst wenn sie kleiner sind, als ein optisches Mikroskop sie erkennen könnte. Das unterscheidet sie von makroskopischen Phänomenen, die aus einer großen Anzahl von Teilchen bestehen.

Ein gewöhnlicher Ball besteht zum Beispiel aus unzähligen Molekülen und zeigt keine quantenmechanischen Effekte – er prallt zuverlässig von einer Wand ab. Ein einzelnes Teilchen hingegen kann manchmal direkt durch ein entsprechendes Hindernis hindurchtreten und auf der anderen Seite erscheinen. Dieses quantenmechanische Phänomen nennt man Tunneln.

Der Physik-Nobelpreis 2025

Der Physik-Nobelpreis 2025 würdigt mit den diesjährigen Preisträgern Forschende, die gezeigt haben, dass Quanten-Tunneln auch auf makroskopischer Ebene, also mit vielen Teilchen, beobachtet werden kann.

In den Jahren 1984 und 1985 führten Clarke, Devoret und Martinis an der University of California, Berkeley, eine Reihe von Experimenten durch. Sie bauten einen elektrischen Schaltkreis mit zwei Supraleitern, also Komponenten, die Strom ohne elektrischen Widerstand leiten, getrennt durch eine dünne, nichtleitende Schicht.

In diesem Experiment zeigten sie, dass sie ein Phänomen kontrollieren und untersuchen konnten, bei dem alle geladenen Teilchen im Supraleiter gemeinsam agieren, als wären sie ein einzelnes Teilchen, das den gesamten Schaltkreis ausfüllt.

Dieses teilchenartige System befindet sich zunächst in einem Zustand, in dem Strom fließt, ohne dass eine Spannung entsteht – ein Zustand, aus dem es nicht genug Energie hat, um zu entkommen.

Im Experiment zeigt das System seine quantische Natur, indem es mittels Tunneln aus dem Null-Volt-Zustand entkommt und eine elektrische Spannung erzeugt. Die Preisträger konnten zudem zeigen, dass das System quantisiert ist, also Energie nur in spezifischen Mengen aufnimmt oder abgibt.

Von der Theorie zur praktischen Umsetzung

Um die Experimente zu realisieren, konnten die Forscher auf Konzepte und Werkzeuge zurückgreifen, die über Jahrzehnte entwickelt worden waren. Zusammen mit der Relativitätstheorie bildet die Quantenphysik die Grundlage der modernen Physik.

Einzelteilchen tunneln bekanntlich bereits seit fast einem Jahrhundert: 1928 erkannte der Physiker George Gamow, dass Tunneln die Ursache bestimmter radioaktiver Zerfälle ist. In einem Atomkern erzeugen Kräfte eine Barriere, die die enthaltenen Teilchen festhält – dennoch kann ein Teil des Kerns manchmal austreten. Ohne Tunneln wäre diese Art von Kernzerfall nicht möglich.