Auch größere Teilchen halten sich als Welle an wichtige Quanten-Regel

11. August 2017 - 20:10

Mit dem Rütteln an einem der Grundpfeiler der Quantenmechanik - der sogenannten Bornschen Regel - beschäftigen sich Physiker schon länger. In Experimenten, etwa mit Lichtteilchen, die an speziellen Gittern gebeugt werden, erwies sich die Regel aber als treffsicher. Forscher aus Wien und Israel zeigten nun, dass sich auch wesentlich größere quantenphysikalisch präparierte Teilchen daran halten.

Interferenzbilder hinter einer Kombination von Schlitzen verglichen

Interferenzbilder hinter einer Kombination von Schlitzen verglichen

Die Quantenphysik beschäftigt sich mit Prozessen, die auf kleinster Skala ablaufen. Der Alltagswahrnehmung können diese durchaus stark widersprechen: So ist es in der Quantenwelt etwa möglich, dass sich Teilchen wie Wellen verhalten oder scheinbar an mehreren Orten gleichzeitig sind. Eine Wiener Forschungsgruppe um Markus Arndt von der Gruppe für Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation an der Universität Wien beschäftigt sich schon seit geraumer Zeit damit, diese seltsam anmutenden Quanteneigenschaften an immer größeren Objekten zu untersuchen. Die Frage, die dahinter steht, ist, wann unter bestimmten Bedingungen Übergänge von der Quanten- zur klassischen Physik beobachtet werden können.

Dass sich auch massive Moleküle wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig beschreiten, zeichnet sich an speziellen Gittern ab. Dort werden diese sogenannten Materiewellen gebeugt, so wie Licht etwa an einem Doppelspalt gebeugt wird. Damit das funktioniert, müssen die Forscher die Objekte aber so präparieren, dass sie quasi "vergessen", wo sie sich gerade befinden. Im Fall der aus 58 Atomen bestehenden Phthalocyanine, die in der nun im Fachblatt "Science Advances" publizierten Arbeit eingesetzt wurden, verdampften die Forscher die Moleküle im Hochvakuum, wo sie sich dann ausbreiten konnten. Nach einer gewissen Zeit war es nicht mehr möglich, ihren genauen Ort festzustellen.

Beugungs- oder Interferenzmuster mit Streifen entsteht

Passieren solche im nicht-klassischen Zustand befindlichen Teilchen dann ein Gitter, "wissen" sie nicht, durch welchen Spalt sie sich bewegen und verhalten sich so, als führe ihr Weg gleichzeitig durch mehrere Spalten. Dadurch entsteht eine charakteristische Verteilung der Teilchen hinter dem Gitter - ein Beugungs- oder Interferenzmuster mit Streifen, wo viele und wenige Moleküle auftreffen. Die quantenmechanische Wellennatur der Teilchen wird sichtbar.

"Will man von einem quantenphysikalischen Teilchen wissen, wo es ist, kann man eine mathematische Regel anwenden", sagte Christian Brand, einer der Hauptautoren der Studie, zur APA. Diese hat der deutsche Physiker Max Born schon 1926 aufgestellt: Sie besagt, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Quantenobjekt, also etwa ein Lichtteilchen, zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort zu finden, gleich dem Quadrat seiner Wellenfunktion ist. Die Interferenz lässt sich demnach immer aus dem Produkt von zwei Spalten bzw. Möglichkeiten beschreiben (also A mal B). Die Frage ist, ob es Abweichungen von der Regel gibt, wenn Licht - oder in diesem Fall der Materie-Strom - durch drei oder mehrere Spalten fällt. Würde die Interferenz dann von mehreren Faktoren abhängen (also A mal B mal C, usw.)? "Dass diese Terme eben nicht auftreten, ist einer der Grundpfeiler der Quantenmechanik", sagte Brand.

Die Wissenschafter schickten also die im Gegensatz zu Lichtteilchen massiven Moleküle durch Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten. "Wir haben die Kombinationen von Einfach- und Zweifachspalten genommen und geschaut, ob wir das Streuungsbild vom Dreifachspalt mit den anderen beiden Spaltbildern perfekt nachbilden können", erklärte der Forscher. Im der Bornschen Regel folgend besten Fall wären diese deckungsgleich. Brand: "Unser Ergebnis war da relativ nahe dran." Im Schnitt tanzte gar nur eines von 100 Teilchen aus der Reihe. Damit konnten die Wissenschafter um Erstautor Joseph Cotter erstmals eine Obergrenze für den Anteil der Vielpfadinterferenz mit Materiewellen festlegen.

Service: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1602478



(APA/red, Foto: APA/Gruppe für Quantennanophysik)