Claus Jönsson

Bedeutung von Claus Jönsson

Claus Jönsson (* 26. Mai 1930 in Berlin-Charlottenburg; † 25. August 2024 in Tübingen) war ein deutscher Physiker und Hochschullehrer. Er ist vor allem dafür bekannt, dass er 1959 im Rahmen seiner Dissertation bei Gottfried Möllenstedt an der Universität Tübingen erstmals die Interferenz von Elektronen am Doppelspalt experimentell nachwies.

Dieses Experiment ist wichtig für das Verständnis der Quantenmechanik. Es zeigt, dass Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern unter passenden Bedingungen auch wie Wellen beschrieben werden können. Die Arbeit gilt außerdem als Pionierleistung der Nanotechnologie. In einer Umfrage der Mitgliederzeitschrift Physics World aus dem Jahr 2002 zum schönsten Experiment aller Zeiten kam „Young’s double-slit experiment applied to the interference of single electrons“ auf den ersten Platz; dadurch wurde Jönssons Beitrag international stärker bekannt.

Leben und wissenschaftliche Laufbahn

Jönsson wurde 1930 in Berlin geboren. Sein Vater Alwin Jönsson arbeitete beim Maschinenbauunternehmen Borsig. Seine Jugend verbrachte Jönsson in Hamburg, wo er in seiner Freizeit an nicht mehr fahrtüchtigen Jeeps bastelte und galvanische Versuche mit ausgebauten Autobatterien durchführte.

Ab 1953 studierte er Physik an der Universität Tübingen. Seine Diplomarbeit schrieb er bei Gottfried Möllenstedt über „Eine elektrostatische Filterlinse mit magnetischer Korrektur der radialen Verzeichnung“. Bei Möllenstedt promovierte er 1961 mit der Arbeit „Elektronen-Interferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten“. Darin wies er die Elektroneninterferenz am Doppelspalt nach. 1970 habilitierte er sich in Tübingen mit der Schrift „Untersuchung der Eigenschaften eines elektronenoptischen Projektionsbildwandlers“.

1978 wurde Jönsson Professor am Institut für Angewandte Physik in Tübingen. Seine Schwerpunkte waren Optik, Interferometrie und Mikroskopie mit Elektronen. Diese Professur hatte er bis zu seinem Ruhestand 1995 inne. Er leistete außerdem Beiträge zur elektroneninterferometrischen Bestimmung des mittleren inneren Potentials von Festkörpern, zur Mikrominiaturisierung von Fresnel-Zonenplatten für extrem ultraviolettes Licht und weiche Röntgenstrahlung sowie zur verbesserten Messung des magnetischen Flussquants mit Elektroneninterferometrie.

Jönsson war verheiratet und hatte mit seiner Frau Ute, die 2017 starb, vier Kinder. Bis zu seinem Tod im Tübinger Paul-Lechler-Krankenhaus wohnte er in Weilheim.

Grundidee des Experiments

Schon 1927 hatten das Davisson-Germer-Experiment und Versuche von George Paget Thomson die Wellennatur der Elektronen durch Beugung an Kristallgittern nachgewiesen. Beugung bedeutet, dass Wellen an Hindernissen oder Öffnungen abgelenkt werden und typische Muster bilden. Davisson und Thomson erhielten dafür 1937 den Nobelpreis für Physik.

Trotzdem galt die Beugung von Elektronen am Doppelspalt lange als kaum möglich. Physiker wie Manfred von Ardenne und Richard Feynman gingen davon aus, dass die Spalte ähnlich wie bei Licht ungefähr in der Größenordnung der De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen liegen müssten. Die De-Broglie-Wellenlänge ist die Wellenlänge, die einem Teilchen in der Quantenmechanik zugeordnet wird. Für Elektronen hätte das subatomare Strukturen erfordert, die praktisch nicht herstellbar waren.

Jönsson beobachtete jedoch in seiner Diplom-Arbeitsgruppe bei einer Vorführung an einem elektronenoptischen Biprisma-Interferometer, dass auch gröbere Strukturen Beugung und Interferenz erzeugen können, wenn die Kohärenzbedingungen erfüllt sind. Kohärenz bedeutet hier, dass die Elektronenwellen in einer geordneten, vergleichbaren Phasenbeziehung stehen. Diese Beobachtung brachte ihn dazu, die Elektronenbeugung am Doppelspalt zum Thema seiner Doktorarbeit zu machen.

Aufbau und Durchführung

Jönsson verwendete Elektronen, die auf 50 kV beschleunigt wurden. Ihre Broglie-Wellenlänge betrug etwa 0,05 Å. Weil Elektronen nicht durch gewöhnliche Substanzen hindurchgehen wie Licht durch Glas, brauchte er völlig materiefreie Spalte. Gleichzeitig mussten die Spalte klein genug sein, damit die Elektronen kohärent beleuchtet wurden.

Zur Herstellung der Spalte wurde ein Glasträger im Hochvakuum von 10^{−4} Torr mit einer 200 Å dünnen Silberschicht bedampft. Darauf wurden mit einem Elektronenstrahlgerät Kohlenwasserstoff-Polymerisat-Streifen gedruckt, die Größe und Anzahl der gewünschten Spalte vorgaben. Danach wurde der Träger in einem elektrolytischen Bad mit einer 0,5 µm dicken Kupferschicht versehen. Auf dem Polymerisat wuchs kein Kupfer, sondern nur auf dem freiliegenden Silber. Die Kupferfolie wurde anschließend vorsichtig abgezogen; in ihr blieben die materiefreien Spalte zurück. Jönsson nutzte Spaltbreiten von etwa 0,5 µm und einen Spaltabstand von etwa 2 µm. Für die Messungen wurden frische Folien benötigt, weil sich die Spalte nach wenigen Wochen durch Atomumlagerungen des Kupfers veränderten.

Damit das Interferometer kohärent arbeitete, musste Jönsson einen sehr kleinen Aperturwinkel verwenden. Dies erreichte er mit zwei Verkleinerungsstufen aus elektrostatischen Zylinderlinsen vor dem Spaltdurchgang. Für die Beobachtungsebene 30 cm hinter den Spalten wurde ein Streifenabstand von 750 nm berechnet. Damit die feinen Interferenzlinien sichtbar oder auf Photoplatten festhaltbar wurden, mussten sie mit elektrostatischen Projektiven 100fach vergrößert und danach mit einer 10fach vergrößernden Einblicksoptik betrachtet werden. Erwartet wurde so ein Interferenzstreifenabstand von 0,75 mm.

Die Apparatur war dadurch sehr empfindlich gegenüber mechanischen und elektrischen Schwingungen. Jönsson arbeitete mehr als ein Jahr an Dämpfungsmaßnahmen, bevor er 1959 bei einer nächtlichen Messung die erwarteten Interferenzstreifen sehen konnte. Nach weiteren Verbesserungen gelangen die ersten Fotos. In seiner Dissertation erstellte er zahlreiche Aufnahmen von Interferenzen an 1, 2, 3, 4 und 5 Spalten.

Wirkung und Einordnung

Zu Jönssons Dissertation erschien 1961 ein deutschsprachiger Artikel in der Zeitschrift für Physik. International wurde er zunächst kaum wahrgenommen. Erst 13 Jahre später erschien ein englischer Nachdruck im American Journal of Physics, doch auch danach blieb die Arbeit weitgehend unbekannt.

2002 startete der Wissenschaftshistoriker Robert P. Crease in Physics World eine Umfrage nach dem „most beautiful experiment in physics“. Der erste Platz ging an „Young’s double-slit experiment applied to the interference of single electrons“. Crease recherchierte danach die Geschichte dieses zunächst namenlosen Experiments und identifizierte Jönsson als den ersten, der ein tatsächliches Doppelspaltexperiment mit Elektronen durchgeführt hatte.

Crease nannte außerdem Akira Tonomuras Versuch von 1989 als nächstes Experiment, das ausdrücklich mit einzelnen Elektronen in der Apparatur arbeitete. Später wurde dies korrigiert, weil Pier Giorgio Merli, Giulio Pozzi und Gian Franco Missiroli bereits 1974 ein Einzelelektronen-Experiment durchgeführt hatten. Diese Experimente wurden jedoch mit einem Biprisma durchgeführt, nicht mit einem Doppelspalt. Jönsson selbst betonte, dass es bei seinem Versuch sehr unwahrscheinlich gewesen sei, dass zwei Elektronen gleichzeitig in der Anordnung unterwegs waren. Er berichtete auch von unterbelichteten, unveröffentlichten Aufnahmen, auf denen ein Punktemuster statt der gewünschten Interferenzstreifen zu sehen war.

Durch Creases Artikel wurde Jönssons Name weltweit bekannter. Im deutschsprachigen Raum gilt sein Experiment zumindest als fest mit dem Titel „schönstes physikalisches Experiment aller Zeiten“ verbunden. In Unterrichtsmaterialien wird es entsprechend mit seinem Namen verknüpft und war in Baden-Württemberg auch schon Thema einer Abituraufgabe.

Wichtige Veröffentlichungen

Zu Jönssons wichtigsten Veröffentlichungen gehört der Aufsatz „Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten“ in der Zeitschrift für Physik, Nr. 161, 1961, S. 454–474, doi:10.1007/BF01342460. Die englische Fassung erschien als „Electron diffraction at multiple slits“ im American Journal of Physics, Band 42, 1974, S. 4–11, DOI:10.1119/1.1987592.

Weitere genannte Arbeiten sind der gemeinsam mit Jean Paul Martin veröffentlichte Beitrag „Verbesserung der Auflösung einer lichtoptischen Linse mittels einer Zonen-Korrekturplatte“ in Naturwissenschaften, Band 53, Nr. 23, 1966, S. 609, DOI:10.1007/BF00632270, sowie seine Habilitationsschrift „Untersuchung der Eigenschaften eines elektronenoptischen Projektionsbildwandlers“ von 1970. Außerdem war Jönsson Mitherausgeber des Buches „Die Top Ten der schönsten physikalischen Experimente“, das 2005 im Rowohlt-Taschenbuch-Verlag erschien.