Gekühlte Mikrospiegel: Quantenphänomene zum Anfassen

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Die seltsamen Phänomene der Quantenmechanik hoffen Physiker schon bald mit eigenen Augen beobachten zu können - etwa miteinander verschränkte Mikroorganismen oder Viren im Zustand der Superposition. Neu entwickelte Kühltechniken könnten den Weg dahin ebnen.

Die Welt der Photonen und Elementarteilchen ist eine andere, als wir sie kennen. Die Gesetze der klassischen Mechanik gelten hier nicht mehr. Stattdessen greifen Physiker zur Quantenmechanik, um die bizarren Phänomene im Mikrokosmos mathematisch zu beschreiben. Beispielsweise können Teilchen ohne Schwierigkeiten zugleich zwei Zustände einnehmen (Superposition), was mit unseren Erfahrungen aus dem Alltag kaum vereinbar ist.

Quantenmechanik beschreibt das Verhalten kleiner Teilchen, klassische Mechanik das großer (makroskopischer) Systeme - so grenzt die Schulphysik die beiden Theorien voneinander ab. Doch welche Konsequenzen quantenmechanische Effekte außerhalb des Mikrokosmos haben könnten, wenn sie auch dort auftreten würden, zeigt nicht zuletzt das berühmte Gedankenexperiment von Schrödingers Katze: Die in einem Käfig eingesperrte Katze müsste zugleich tot und lebendig sein - sich also in einer Art Schwebezustand zwischen Leben und Tod befinden (siehe Kasten unten).

Quantenphysiker der Universität Wien glauben, dass man schon bald solche Quantenphänomene an makroskopischen Systemen beobachten kann. Das Team von Anton Zeilinger und Markus Aspelmeyer hat nämlich eine neue Methode zur Kühlung kleiner mechanischer Systeme mit Laserlicht entwickelt, die einen großen Schritt in diese Richtung darstellen soll.

Das Paradoxon von der Katze im Kasten
DPA
Bestimmte Verhaltensweisen der Quantenwelt erscheinen in der alltäglichen, großen (makroskopischen) Welt paradox. Erwin Schrödingers Gedankenexperiment verdeutlicht dies. Schrödinger beschrieb einen fiktiven Versuchsaufbau:

In einem geschlossenen Kasten sitzt eine Katze. Bei ihr befindet sich ein radioaktiver Atomkern, der langsam zerfällt. Diesen Zerfall zeichnet ein Geigerzähler auf. Er ist an eine Vorrichtung angeschlossen, die Giftgas freisetzen soll, wenn der Kern zerfallen ist. Die Katze würde davon sterben. Entsprechend der Quantentheorie befindet sich der Atomkern nach Ablauf der Zeitspanne, während der er mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zerfällt, aber im ominösen Zustand der Überlagerung. Er ist noch nicht zerfallen und schon zerfallen zugleich. Was bedeutet das für die Katze? Sie müsste sich in einem schwer vorstellbaren Schwebezustand zwischen schon tot und noch lebendig befinden. Entschieden wird dies erst vom Versuchsleiter. Erst wenn er den Kasten öffnet, und sozusagen das Ergebnis seines Experiments misst, steht fest, ob die Katze tot ist oder noch lebt. Vor dieser Messung lässt sich keine Aussage zum Zustand des Tiers treffen.
Erwin Schrödinger
Erwin Schrödinger (1887-1961) war ein österreichischer Physiker, der 1933 den Nobelpreis erhielt. Er leistete grundlegende Arbeit auf dem noch neuen Gebiet der Quantenphysik. Sein wohl bekanntester Beitrag zur Popularisierung dieses Forschungsgebiets ist das Gedankenexperiment von der Katze im Kasten.

Sein Landsmann Anton Zeilinger, der ebenfalls auf dem Feld der Quantenphysik arbeitet, sagte einmal, für jeden Österreicher solle die Kenntnis des Werks Schrödingers ebenso zum Kulturgut gehören wie die Musik Mozarts.

Die Wiener sind nicht die einzigen, die auf diesem Gebiet arbeiten. Parallel zu ihnen veröffentlichten zwei weitere Forscherteams in der aktuellen Ausgabe des Magazins "Nature" Berichte über ähnliche Kühlverfahren. Man kann durchaus von einem Kopf-an-Kopf-Kopf-Rennen der Wissenschaftler sprechen.

Quanteneffekte bei Viren?

"Die Theorie der Quantenmechanik sagt nicht, dass es eine Grenze für Quantenphänomene gibt", sagte Zeilinger im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Weltberühmt wurde der Wiener Physiker 1997 mit seiner gelungenen Quantenteleportation, die ihm den Namen Mister Beam einbrachte.

Zeilingers Team hofft, zunächst durch Kühlung makroskopischer Systeme die Tür zur Quantenmechanik aufzustoßen. "Bei extrem tiefen Temperaturen gibt es keine Wechselwirkungen mit der Umgebung", erklärt er. Diese Wechselwirkung, auch allgemein als Dekohärenz beschrieben, gilt als Ursache dafür, dass quantenmechanische Phänomene im Alltag nicht beobachtet werden. Später könnte, so Zeilinger, das Ganze auch bei höheren Temperaturen möglich sein. "Wir sehen es als Herausforderung, die experimentelle Grenze nach oben zu schieben."

"Wir glauben, dass man eines Tages Quanteneffekte bei Viren oder Mikroorganismen sehen kann", sagte Zeilinger. "Zum Beispiel die Superposition, also die Überlagerung von zwei Zuständen, oder das Phänomen der Verschränkung, bei dem zwei Systeme über eine große Entfernung zusammenhängen."

Das Abkühlen schwingender mechanischer Systeme bis hin zur Beobachtung quantenmechanischer Phänomene ist bislang nicht geglückt. Im Wissenschaftsmagazin "Nature" beschreibt Zeilingers Team nun einen möglichen Weg dahin. Die Forscher befestigten einen mikroskopisch kleinen Spiegel von einem halben Millimeter Länge so, dass er ähnlich wie eine Gitarrensaite frei schwingen konnte.

Kühlen durch Verstimmen

Aufgrund des geringen Gewichts von nur wenigen hundert Nanogramm (Milliardstel Gramm) genügen bereits einzelne Photonen eines Laserstrahls, um den mikromechanischen Spiegel zu beeinflussen. Die Kühlung des Spiegels erreichten die Wiener Forscher, indem sie die Photonen mit einer bestimmten Verzögerung auf den Spiegel schickten und so seine Bewegung dämpften. Im Prinzip sei das wie bei einem federnden Sprungbrett im Schwimmbad, das man durch geschicktes Gegenfedern zur Ruhe bringen könne.

Im Experiment bildet der Mikrospiegel ein Ende eines optischen Resonators, mit dessen Hilfe einfallendes Laserlicht an den schwingenden Spiegel gekoppelt wird, schreiben die Forscher. Die von dem Laser ausgesandten Photonen werden von dem Mikrospiegel reflektiert. Wenn der Resonator nicht perfekt auf die Wellenlänge des einfallenden Laserlichts gestimmt sei - man spreche von einer gezielten Verstimmung -, dann nähmen die reflektierten Photonen einen Teil der Bewegungsenergie des Mikrospiegels auf - der Spiegel wird gekühlt. Da der Resonator den Druck der Photonen automatisch regle, funktioniere diese Kühlung völlig selbständig. Mit der neuen Technik erreichten die Forscher eine Temperatur von 10 Kelvin (minus 260 Grad).

Die Wissenschaftler glauben, dass sie mit ihrer neuen Kühlmethode und hochwertigeren Materialien in naher Zukunft Quantenphänomene an makroskopischen Systemen untersuchen können. Mit weit reichenden Konsequenzen, wie Zeilinger glaubt: Die Paradoxa der Quantenmechanik seien in den Köpfen vieler Menschen nicht so tragisch, weil sie nur mikroskopisch aufträten. "Wenn diese Effekte aber auch makroskopisch sichtbar werden, dann werden wir gezwungen, die seltsamen Phänomene der Quantenmechanik Ernst zu nehmen."

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