In Laboren in Deutschland springen Elektronen in Graphen plötzlich über verbotene Energiebänder, und zwar mit einer Wahrscheinlichkeit von bis zu hundert Prozent. Das ist kein Messfehler, sondern ein realer Prozess, der in Echtzeit gefilmt werden konnte.
Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Regensburg, der Philipps-Universität Marburg und des Forschungszentrums Jülich führte ein Experiment durch, das im November 2026 in der Zeitschrift Nature 2 veröffentlicht wurde. Sie nutzten ein photoemissionsbasiertes Impulsmikroskop in Kombination mit leistungsstarken Laserimpulsen, um die Bewegung von Elektronen in atomar dünnen Graphenschichten höchster Reinheit zu verfolgen, die in Jülich gezüchtet wurden. Das Verfahren erhielt den Namen Subzyklus-Videografie: Es ermöglicht, Ereignisse festzuhalten, die sich in Bruchteilen einer Femtosekunde abspielen.
In gewöhnlichen Halbleitern bleiben Elektronen in ihrem Energieband, das durch eine verbotene Lücke getrennt ist. Hier hingegen werden Elektronen unter der Wirkung eines starken elektrischen Feldes eines Lichtimpulses beschleunigt und überqueren die Lücke ohne Zwischenzustände. Stellen Sie sich einen Aufzug vor, der augenblicklich vom ersten Stock in den zwanzigsten fährt und dabei alle anderen überspringt: Genau so sieht der Landau-Zener-Majorana-Übergang aus. Die Geschwindigkeit der Elektronen am Bandrand bestimmt die Wahrscheinlichkeit eines solchen Sprungs, und in Graphen erreicht sie hundert Prozent.
Das Experiment zeigte, dass die Wechselwirkung mit dem Kristallgitter die geordnete Bewegung stören kann, das Tunneln selbst jedoch vorhersehbar bleibt. Dies unterscheidet sich grundlegend vom klassischen Tunneln durch eine räumliche Barriere – hier spielt die Dynamik in der Zeit die entscheidende Rolle.
Die Entdeckung ebnet den Weg zur Steuerung von Elektronen in zweidimensionalen Materialien mit Licht statt nur mit elektrischen Spannungen. In Zukunft könnten solche Methoden die Grundlage neuer Geräte bilden, in denen Quantenübergänge zu einem Arbeitsinstrument statt zu einer seltenen Ausnahme werden.
Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse bestätigen: Die Methode der Subzyklus-Videografie funktioniert auch bei anderen Quantenmaterialien und liefert einen panoramischen Blick auf deren Energielandschaft.
