Physiker lassen Moleküle ihre Richtung und Temperatur vergessen

Wien (APA) - Wiener Quantenforscher haben eine Methode entwickelt, um einem Molekül, das bereits nicht weiß, in welcher Richtung es unterweg...

Wien (APA) - Wiener Quantenforscher haben eine Methode entwickelt, um einem Molekül, das bereits nicht weiß, in welcher Richtung es unterwegs ist, durch ein ebenso richtungsunsicheres Photon noch mehr Unsicherheit einzuimpfen. In einem ausgeklügelten Versuchsaufbau wird es möglich, das Teilchen in einen Zustand zu versetzen, in dem es zusätzlich auch nicht mehr „weiß“, welche Temperatur es hat.

Die Quantenphysik beschäftigt sich mit den Prozessen, die auf kleinster Skala ablaufen. Diese können der Alltagswahrnehmung durchaus stark widersprechen: So ist es in der Quantenwelt etwa möglich, dass sich Teilchen wie Wellen verhalten. Sie können sich auch in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden oder in mehreren Richtungen gleichzeitig unterwegs sein. Die Physiker sprechen vom Einnehmen einer „Superposition“. Nicht zuletzt erlaubt das Phänomen der „Verschränkung“ sogar die Übertragung von Information ohne Zeitverzögerung über beliebige Distanzen.

Dem Team um Markus Arndt vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien geht es schon seit Jahren darum, diese seltsam anmutenden Quanteneigenschaften an immer größeren Objekten zu untersuchen. Dabei haben sich die Forscher meistens auf die Bewegung des Schwerpunktes von Molekülen konzentriert, die sie vorher durch Präparierung sozusagen in die Quantenwelt überführt haben. So auch in der Abwandlung eines Experiments, das Arndt, der Studien-Erstautor Joseph Cotter gemeinsam mit Theoretikern um Klaus Hornberger an der Uni Duisburg im Fachblatt „Nature Communications“ vorgestellt haben.

Im ersten Schritt wird das Molekül delokalisiert. Dazu wird es durch ein erstes, mechanisches Gitter geschickt. An jedem der Schlitze werden die Moleküle räumlich so stark eingeschränkt, dass ihr Bewegungszustand (Impuls) „plötzlich unscharf wird, und sie in ihrer Rechts-Links-Bewegung delokalisiert sind - sich also ausbreiten, sprich ihre Welleneigenschaften stärker werden“, erklärte Arndt der APA.

Dieser Effekt weitet sich bis zum zweiten Lichtgitter so weit aus, „dass ein Molekül oder dessen Wellenfunktion am zweiten Gitter quasi gleichzeitig durch mehrere Spalte durchgeht“. Bis zum dritten Gitter entwickelt sich dann aus dem ungeordneten Molekülstrahl ein sichtbares Molekül-Muster - die Physiker sprechen von einem „Interferenzmuster“.

„Was wir dabei aber nie näher angeschaut haben, ist, was passiert, wenn man den delokalisierten Molekülen jetzt noch ermöglicht, ein Photon zu schlucken“, sagte Arndt. Da sich Quanteneigenschaften besser zeigen, wenn die Teilchen sehr stark gekühlt sind und die Aufnahme eines Lichtteilchens die Temperatur stark erhöht, dachten die Forscher bisher, dass sich das negativ auswirkt.

„Entgegen der Erwartung ist das aber nicht schlecht. Denn obwohl die Moleküle heißer werden, können sie sozusagen nicht mit der Umwelt darüber sprechen. Sie verstecken das Photon in sich und verteilen die Energie in ihren Vibrationen“, erklärte Arndt. Fast noch spannender findet der Forscher aber die Tatsache, dass das delokalisierte Photon, „das auch nicht weiß, ob es nach vorne oder hinten fliegt“, zusätzliche Quantenunsicherheit auf das Molekül überträgt.

Arndt: „Es gibt dann die Möglichkeit, dass das Photon nicht absorbiert wurde und das Molekül geradeaus fliegt. Oder das Photon absorbiert wurde und das Molekül sowohl nach links und auch nach rechts fliegt - also in einer Superposition ist“. Da die beiden grundsätzlichen Möglichkeiten aber auch bestehen bleiben, liegt eine weitere Quantensuperposition vor. Das völlig desorientierte Molekül befindet sich hinterher „in einem Zustand mehrerer Temperaturen und Bewegungsrichtungen“.

Die Forscher wollen nun Detektoren entwickeln, mit denen die Temperatur-Superposition analysiert werden kann. Damit könnte man möglicherweise auch neue Formen der Quanten-Verschränkung testen, erklärte Arndt.

(S E R V I C E - Internet: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms8336)


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