Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenbeugung an einem Hauch von Nichts

25.08.2015

Die Quantenphysik besagt, dass sich auch massive Objekte wie Wellen verhalten und scheinbar an vielen Orten zugleich sein können. Dieses Phänomen kann nachgewiesen werden, indem man diese Materiewellen an einem Gitter beugt. Eine europäische Kollaboration hat nun erstmals die Delokalisation von massiven Molekülen an einem Gitter nachgewiesen, das nur noch eine einzige Atomlage dick ist. Dieses Experiment lotete die technischen Grenzen der Materiewellentechnologie aus und knüpft dabei an ein Gedankenexperiment von Bohr und Einstein an. Die Ergebnisse werden aktuell im Journal "Nature Nanotechnology" veröffentlicht.

Die quantenmechanische Wellennatur der Materie ist die Grundlage für viele moderne Technologien, wie z. B. die höchstauflösende Elektronenmikroskopie, die Strukturuntersuchung von Festkörperphysik mit Neutronen oder in hochempfindlichen atomaren Trägheitssensoren.


Mit modernsten Fabrikationsmethoden können atomar dünne Nanomasken hergestellt werden, die sich als hinreichend robust für die molekulare Quantenoptik erweisen.

Copyright: Quantennanophysik, Fakultät für Physik, Universität Wien; Bild-Design: Christian Knobloch

In der Forschungsgruppe um Markus Arndt, Professor für Quantenphysik an der Universität Wien, wird die Frage erforscht, wie man die Grundlagen solcher Quantentechnologien auf große Moleküle oder Cluster übertragen und nutzen kann.

Um die quantenmechanische Wellennatur eines solchen Objekts zu demonstrieren, muss es zunächst delokalisiert werden. Dafür wird Heisenbergs Unschärferelation genutzt: Werden die Moleküle von einer punktförmigen Quelle auf die Reise geschickt, "vergessen" sie nach einiger Zeit, wo sie sich befinden.

Stellt man ihnen jetzt ein Gitter in den Weg, so wissen sie nicht, durch welchen Spalt sie fliegen. Es ist, als ob sie durch mehrere Spalte gleichzeitig gehen würden. Dadurch entsteht eine charakteristische Verteilung der Teilchen hinter dem Gitter, ein Beugungs- oder Interferenzmuster, das man nur aufgrund der quantenmechanischen Wellennatur verstehen kann.

Am nanotechnologischen Limit

In einem europäischen Konsortium mit Partnern um Ori Cheshnovsky von der Tel Aviv University, wo die Nanomasken geschrieben wurden, sowie mit Unterstützung von Gruppen in Jena (Biphenyl-Nanomembranen, Prof. Turchanin) und Wien (höchstauflösende Elektronenmikroskopie, Prof. Meyer) zeigen sie erstmals, dass solche Strukturen auch in die dünnsten möglichen Membranen geschrieben werden können.

Mittels fokussierter Ionenstrahlen wurden nanomechanische Gitter in ultradünne Membranen aus Siliziumnitrid, Biphenylmolekülen und Kohlenstoff geschrieben und diese in höchstauflösender Elektronenmikroskopie analysiert. Dabei gelang es schließlich, stabile und hinreichend großflächige Strukturen selbst in atomar dünnem, einlagigem Graphen herzustellen.

Schon in früheren Experimenten waren solche Gitter nur etwa ein Hundertstel eines Haardurchmessers dick. Aber selbst solche hauchdünnen Strukturen sind noch zu dick, wenn die daran gebeugten Moleküle aus Dutzenden von Atomen bestehen. Kräfte, die auch zum Beispiel dafür verantwortlich sind, dass Geckos an der Wand laufen können, schränken die Anwendbarkeit von materiellen Gittern ein.

So ziehen die Wände des Gitters auch die fliegenden Moleküle aus dem Strahl, so dass sie für den Versuch verloren gehen. "Es war eine große Herausforderung, die Dicke dieser Gitter – und damit die angesprochenen Kräfte – bis auf das fundamental mögliche Minimum zu reduzieren, und dennoch eine stabile Beugungsstruktur zu bauen", erläutert Markus Arndt.

"Das sind die dünnsten Beugungsstrukturen für die Materiewellenoptik, die je geschaffen wurden. Trotzdem sind sie so robust, dass sie ihren Zweck sehr gut erfüllen", freut sich auch Christian Brand, Erstautor der Studie, und ergänzt: "Bei einer Dicke von nur einem millionstel Millimeter beeinflusst das Gitter die hindurchfliegenden Moleküle nur noch für wenige billionstel Sekunden.“

Ein Gedankenexperiment von Bohr und Einstein

Jedes Nanogitter ähnelt einer winzigen Harfe. Damit stellt sich die Frage, ob die Moleküle, die mal nach rechts und mal nach links gebeugt werden, diese Harfe in Schwingung versetzen können. Wäre dies der Fall, so würde die je angestoßene Saite den Weg des Moleküls verraten, und die charakteristische Quanteninterferenz würde verschwinden. Dieses Modell realisiert ein Gedankenexperiment zwischen Niels Bohr und Albert Einstein, die vor vielen Jahrzehnten darüber debattierten, ob es möglich sei, den Weg eines Quantums durch einen Doppelspalt zu kennen und dennoch seine Wellennatur (das Interferenzbild) zu sehen.

"Und wieder ist es Werner Heisenbergs Unschärfe, welche die Situation klärt: Obwohl die Moleküle bei der Beugung am Gitter abgelenkt werden und es ein wenig in Bewegung versetzen, ist dieser Rückstoß immer noch kleiner als die natürliche, quantenmechanische Bewegungsunschärfe des Gitters und somit prinzipiell nicht messbar. Das gilt sogar für Strukturen, die nur ein Atom dick sind", so Arndt abschließend.

Publikation in "Nature Nanotechnology":
"An atomically thin matter-wave beamsplitter"; C. Brand, M. Sclafani, C. Knobloch, Y. Lilach, T. Juffmann, J. Kotakoski, C. Mangler, A. Winter, A. Turchanin, J. Meyer, O. Cheshnovsky, M. Arndt; Nature Nanotechnology (2015),
DOI: 10.1038/nnano.2015.179

Wissenschaftlicher Kontakt
Dr. Christian Brand‚
Quantum Nanophysics, VCQ, QuNaBioS,
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43 1 4277 511 72
brandc6@univie.ac.at

Univ. Prof. Markus Arndt,
Quantum Nanophysics, VCQ, QuNaBioS,
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43 1 4277 512 10
markus.arndt@univie.ac.at

Rückfragehinweis
Stephan Brodicky
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 41
stephan.brodicky@univie.ac.at

Die Universität Wien ist eine der ältesten und größten Universitäten Europas: An 19 Fakultäten und Zentren arbeiten rund 9.700 MitarbeiterInnen, davon 6.900 WissenschafterInnen. Die Universität Wien ist damit die größte Forschungsinstitution Österreichs sowie die größte Bildungsstätte: An der Universität Wien sind derzeit rund 92.000 nationale und internationale Studierende inskribiert. Mit über 180 Studien verfügt sie über das vielfältigste Studienangebot des Landes. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. http://univie.ac.at

1365 gegründet, feiert die Alma Mater Rudolphina Vindobonensis im Jahr 2015 ihr 650-jähriges Gründungsjubiläum mit einem vielfältigen Jahresprogramm – unterstützt von zahlreichen Sponsoren und Kooperationspartnern. Die Universität Wien bedankt sich dafür bei ihren KooperationspartnerInnen, insbesondere bei: Österreichische Post AG, Raiffeisen NÖ-Wien, Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft, Stadt Wien, Industriellenvereinigung, Erste Bank, Vienna Insurance Group, voestalpine, ÖBB Holding AG, Bundesimmobiliengesellschaft, Mondi. Medienpartner sind: ORF, Die Presse, Der Standard.

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise