Physiker melden Quantenrekord 2000 Atome an zwei Orten gleichzeitig

In der Quantenmechanik können sich Teilchen gleichzeitig an mehreren Orten aufhalten. Forscher haben nun so viele Atome gleichzeitig in diesen Zustand versetzt wie nie zuvor.
Moleküle aus dem Versuch (Illustration): Sie verhalten sich gleichzeitig wie eine Welle und ein Teilchen

Moleküle aus dem Versuch (Illustration): Sie verhalten sich gleichzeitig wie eine Welle und ein Teilchen

Foto: Yaakov Fein/ Universität Wien

Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger hat sich Mühe gegeben, seine Forschung im Bereich der Quantenmechanik verständlich zu machen.

1935 ersann er eine in einer Kiste sitzende Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist. Erst wenn ein Forscher das Tier untersucht, nimmt es dauerhaft einen der beiden Zustände an - lebt also entweder oder ist tot. Eine Vorstellung, die sich aus der Alltagserfahrung heraus nicht erklären lässt. Bekannt wurde das paradoxe Gedankenspiel unter dem Begriff "Schrödingers Katze".

Forscher versuchen seit Jahrzehnten, die merkwürdigen Gesetze der Quantenmechanik mit der klassischen Physik zu vereinen. Angelehnt an "Schrödingers Katze" gibt es beispielsweise Materie, die sich gleichzeitig wie ein Teilchen und wie eine Welle verhält. Bekanntestes Beispiel dafür ist Licht.

Quantenmechanisch betrachtet können sich Lichtteilchen, sogenannte Photonen, sogar gleichzeitig an zwei Stellen aufhalten. Auch andere Teilchen, wie Elektronen oder Neutronen, Atome oder sogar Moleküle sind dazu in der Lage. Doch wie viel Masse darf ein Molekül haben, um noch unter die Gesetze der Quantenmechanik zu fallen?

Markus Arndt von der Universität Wien und sein Team haben diese Grenze nun weiter nach hinten verschoben. Sie haben fast 2000 Atome mit 25.000 atomaren Masseneinheiten an mindestens zwei Orte gleichzeitig gebracht. Neuer Rekord, berichten sie im Fachmagazin "Nature Physics" . Das bisher massereichste Molekül bestand aus 800 Atomen und wurde ebenfalls von den Wiener Forschern quantenphysikalisch untersucht.

Doppelspaltexperiment aus der Schule

Um im Detail zu verstehen, worum es geht, hilft ein Experiment, das fast jeder aus der Schule kennt: Ein Lichtstrahl scheint auf einen Doppelspalt. Auf einer Leinwand dahinter sind helle und dunkle Streifen zu sehen. Dabei handelt es sich um Photonen, die sich im Experiment wie Wellen verhalten. Am Doppelspalt werden sie abgelenkt. In den hellen Bereichen verstärken sich die Lichtwellen, in den dunklen Bereichen heben sie sich auf. Experten sprechen von Interferenz.

Doppelspaltexperiment: Photonen verhalten sich hier wie eine Welle, nicht wie ein Teilchen

Doppelspaltexperiment: Photonen verhalten sich hier wie eine Welle, nicht wie ein Teilchen

Foto: Dorling Kindersley/ Getty Images

Im Alltag lässt sich das Phänomen auf der Oberfläche von Gewässern beobachten. Sich überlagernde Wassermoleküle bilden dort Wellenberge, dazwischen entstehen Wellentäler. Mit einem Unterschied: Im Wasser sind es immer mehrere Moleküle, die das Muster erzeugen. In der Quantenphysik kann ein einziges Photon Interferenzmuster auf eine Leinwand bringen. Dabei fliegt es durch beide Schlitze im Doppelspalt gleichzeitig und ist damit zum selben Zeitpunkt an zwei Orten.

Die Grenze zwischen Quantenwelt und klassischer Physik

"Interferenzen gibt es in der Quantenphysik nur, wenn ein Teilchen zwei oder mehr Möglichkeiten hat, zum Ziel zu kommen, die prinzipiell nicht voneinander unterscheidbar sind", erklärt Forscher Arndt. Im Doppelspaltexperiment ist das der Fall, wenn die Materiequelle gleich weit von beiden Schlitzen entfernt ist.

Die Forscher um Arndt haben im Labor stabile Moleküle aus fast 2000 Atomen erzeugt und durch ein zwei Meter langes Materiewellen-Interferometer geschickt, das für solche Experimente an der Universität Wien entwickelt wurde. Die Spezialatome aus dem Versuch bestehen aus 40.000 Protonen, Neutronen und Elektronen und blieben für sieben Millisekunden im Überlagerungszustand - also gleichzeitig an mindestens zwei verschiedenen Orten.

Die Experimente zeigten, dass sich die Quantenmechanik, "bei all ihrer Verrücktheit", doch auf erstaunlich große Moleküle ausweiten lasse, erklärt Physiker Yaakov Fein, der ebenfalls an dem Versuch beteiligt war.

Ab welcher Masse Moleküle ihre Welleneigenschaften verlieren, wollen die Wissenschaftler in weiteren Experimenten testen. Bis dahin nutzen sie die Daten aus den Versuchen, um Modelle aus der theoretischen Physik zu verbessern, die beschreiben sollen, wie ein vermeintlicher Übergang von der Quanten- in die uns vertraute Welt verlaufen könnte.

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