Der Tunneleffekt im Supraleiter – Quantenphysik am Oszilloskop sichtbar gemacht
(von Ruth Jacobs (MSS 12))

Die Quantenphysik bietet Beschreibungen für Effekte, die durch die klassische Theorie nicht darstellbar sind. Die quantenmechanischen Phänomene, die auf mikroskopischer Teilchenebene auftreten, sind für das menschliche Verständnis oft nicht mehr nachvollziehbar, da jegliche Anschaulichkeit wegen der großen Komplexität verloren geht. In der Quantenphysik werden die zu untersuchenden Teilchen nicht mehr als Körper mit definiertem Ort und Impuls dargestellt, sondern können nur durch Wellenfunktionen, die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens in einem gewissen Bereich bestimmen, beschrieben werden.
Ein typisches Quantenphänomen ist der so genannte Tunneleffekt, bei dem Teilchen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eine für sie klassisch betrachtet nicht durchdringbare Barriere, beispielsweise eine für Elektronen nicht leitfähige Isolationsschicht, durchqueren und auf der anderen Seite wieder auftauchen.
Ich habe einen Versuchsaufbau der Universität Köln mit einem SIS-Tunnelelement, also bestehend aus zwei Supraleitern, die durch eine sehr dünne Isolatorschicht getrennt sind, verwendet. Die besonderen Eigenschaften der gepaarten Elektronen im Supraleiter führen dazu, dass dabei Quantenphänomene wie z.B. die Energiequantelung von elektromagnetischen Wellen makroskopisch sichtbar werden. Dabei habe ich verschiedene Auswirkungen des Tunnelns der Leiterteilchen auf die Strom – Spannungs – Kennlinie, abhängig von äußeren Faktoren wie ein Magnetfeld oder die Bestrahlung mit Hochfrequenz, am Oszilloskop beobachtet sowie die an den Messkurven ablesbaren Naturkonstanten mit den Literaturwerten verglichen.

Die Anwendung des Supraleiter-Tunneleffekts reicht von der Erforschung der interstellaren Molekülwolken in der Astrophysik über die Untersuchung der Ozonschicht und deren Zerstörung durch Spurengase bis hin zu Spannungsnormalen und Hirnstrommessungen.