FORSCHUNGSWELT

Unscharfe Grenze der Quantenwelt

Quantenphänomen bei Riesenmolekül

Je weiter wir uns in die mikroskopische Welt der Natur begehen, desto eher treffen wir auf physikalische Gesetze, die uns in der Alltagswelt völlig fremd sind. Ab welcher Grösse – oder genauer ab welcher Masse – dann die klassische Physik beinahe unbrauchbar wird und die Quantenmechanik dominiert, ist nicht einfach zu beantworten. Forschende der Universität Wien und Basel konnten ein quantenmechanisches Phänomen bei einem Teilchen mit der Masse von 25 Kilodalton beobachten: ein neuer Rekord.

Das Überlagerungsprinzip ist ein Kennzeichen der Quantentheorie, das unter anderem aus einer der grundlegenden Gleichungen der Quantenmechanik hervorgeht, der Schrödingergleichung. Sie beschreibt Partikel als Wellenfunktionen. Die Teilchen haben also Eigenschaften von Wellen. Ähnlich wie bei Wasserwellen auf dem Meer können auch die Teilchen Interferenzeffekte aufweisen. Im Gegensatz zu Wasserwellen, die ein kollektives Verhalten vieler wechselwirkender Wassermoleküle darstellen, können Quantenwellen für ein einzelnes isoliertes Teilchen stehen.

Neuer Rekord wirft Fragen auf Das vielleicht eleganteste Beispiel für die Wellennatur von Partikeln ist das Doppel spaltexperiment. In diesem Experiment werden, bildlich formuliert, Teilchen nacheinander an eine Wand geschossen. Die Wand enthält zwei passierbare Öffnungen, so dass die Teilchen entweder in den linken oder eben rechten Spalt auf eine direkt hinter der Wand stehende Leinwand treffen. Stellen wir uns dieses Experiment pragmatisch in unserer Alltagwelt vor: Ein Ball wird an eine Wand geschossen und kann eine der beiden Öffnungen passieren. Hier ist der Fall klar. Er fällt anschliessend je nach dem, durch welchen Spalt er fliegt, entweder eher rechts auf die Leinwand oder eher links. In der Quantenwelt läuft dies etwas anders ab. Sobald wir uns in die Welt der kleinsten Teilchen begeben, herrschen quantenmechanische Gesetze. Der Ball verfügt nun über Wellencharakter. In diesem Fall durchläuft er gleichzeitig die beiden

Ein Doppelspaltexperiment: Alpha-Teilchen ( 4 He) werden auf eine Goldfolie «geschossen». Auf der dunklen Leinwand bildet sich dann allmählich ein für Wellen typisches Verteilungsmuster.

Schlitze und hinterlässt auf der Leinwand ein Interferenzmuster. Dies wäre also, bildlich gesehen, vergleichbar mit Wasser. Wasser würde durch beide Öffnungen fliessen, wodurch sich Wellen mit einem bestimmten Muster bilden würden: ein Interferenzmuster. Dieser Effekt wurde für Photonen, Elektronen, Neutronen, Atome und sogar Moleküle demonstriert und wirft eine Frage auf, mit der Physikerinnen und Philosophen seit den Anfängen der Quantenmechanik zu kämpfen haben: Wie gehen diese merkwürdigen Quanteneffekte in die klassische Welt über, mit der wir im Alltag vertraut sind? Ab wann fliegt der Ball wie ein Quantenteilchen? Die Experimente von Markus Arndt und seinem Team an der Universität Wien nähern sich dieser Frage auf möglichst direkte Weise, indem sie Quanteninterferenzen mit immer massereicheren Objekten aufzeigen. Die Moleküle in den jüngsten Experimenten haben Massen von mehr als 25000 atomaren Masseneinheiten (u), ein Vielfaches des vorherigen Rekordes. Eines der grössten Moleküle, das durch das Interferometer geschickt wird, besteht aus mehr als 40000 Protonen, Neutronen und Elektronen. Marcel Mayor und sein Team an der Universität Basel verwendeten spezielle Techniken, um derart massive Moleküle zu synthetisieren, die dennoch ausreichend stabil sind, um einen Molekular

strahl im Ultrahochvakuum zu bilden. Der Nachweis der Quantennatur solcher massenreichen Teilchen erforderte auch ein neues, zwei Meter langes Materiewelleninterferometer, das zu diesem Zweck in Wien gebaut wurde. Es gibt eine Reihe von Modellen, die ver suchen, den angeblichen Übergang von einer Quantenwelt zu einer klassischen Welt in Einklang zu bringen. Diese Klasse von Modellen sagt voraus, dass die Wellenfunktion eines einzelnen Teilchens spontan mit einer Rate zusammenbricht, die proportional zu dem Quadrat seiner Masse ist. Indem gezeigt wird, dass eine Überlagerung für ein schweres Teilchen für eine bestimmte Zeitdauer aufrechterhalten wird, wird daher direkt festgelegt, wie oft und wie lokalisiert dieser Kollapsvorgang sein kann. In diesen neuen Experimenten

blieben die Moleküle länger als 7 ms in einer Überlagerung – genug, um alternative Quantenmodelle mit neuen interferometrischen Grenzen zu versehen, sind sich die Wissenschaftler sicher. Um verschiedene Interferenzexperimente, wie die aktuelle der Universität Wien, mit anderen vergleichen zu können, wird jeweils der Grad an Makroskopizität ermittelt. Die Experimente vom Erstautor Yaakov Fein und seinen Kollegen stellen in der Tat eine Zunahme der Makroskopizität um eine Grössenordnung dar und entspricht den quantenmechanischen Erwartungen. «Unsere Experimente zei gen, dass die Quantenmechanik, bei all ihrer Verrücktheit, auch erstaunlich robust ist und ich bin optimistisch, dass zukünftige Experimente sie in noch grösserem Massstab testen werden», sagt Yaakov Fein. Die Grenzen zwischen der quantenund der klassischen Welt werden immer unschärfer.

Originalpublikation Y. Y. Fein et al., «Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa», Nat. Phys. (2019); DOI: 10.1038/s41567-019-0663-9

Kontakt Univ.-Prof. Dr. Markus Arndt Fakultät für Physik Universität Wien Boltzmanngasse 5 A-1090 Wien +43 1 4277 512 10 markus.arndt@univie.ac.at www.quantumnano.at

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