Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

2.000 Atome an zwei Orten gleichzeitig

24.09.2019

Ein neuer Rekord der Quantenüberlagerung

Das Prinzip der Quantenüberlagerung wurde in einer neuen Studie von Wissenschaftlern der Universität Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Basel, in einem bisher unerreichten Maßstab getestet. Heiße, komplexe Moleküle bestehend aus fast zweitausend Atomen wurden in eine Quantenüberlagerung gebracht und interferiert.


Künstlerische Darstellung der im Experiment delokalisierten, massiven Moleküle.

© Yaakov Fein, Universität Wien

Durch die Bestätigung dieses Phänomens – nach Richard Feynman "das Herz der Quantenmechanik" – auf einer größeren Massenskala wurden neue Beschränkungen für eine Klasse alternativer Theorien zur Quantenmechanik aufgestellt. Die Arbeit wird in Nature Physics veröffentlicht.

Quanten zu Klassik?

Das Überlagerungsprinzip ist ein Kennzeichen der Quantentheorie, das aus einer der grundlegendsten Gleichungen der Quantenmechanik hervorgeht, der Schrödinger-Gleichung. Sie beschreibt Partikel im Rahmen von Wellenfunktionen, die ähnlich wie Wasserwellen auf der Oberfläche eines Teiches Interferenzeffekte aufweisen können.

Im Gegensatz zu Wasserwellen, die ein kollektives Verhalten vieler wechselwirkender Wassermoleküle darstellen, können Quantenwellen aber auch mit isolierten Einzelpartikeln assoziiert werden.

Das vielleicht eleganteste Beispiel für die Wellennatur von Partikeln ist das Doppelspaltexperiment, bei dem die Wellenfunktion eines Partikels gleichzeitig zwei Schlitze durchläuft und dahinter interferiert. Dieser Effekt wurde für Photonen, Elektronen, Neutronen, Atome und sogar Moleküle demonstriert und wirft eine Frage auf, mit der PhysikerInnen und Philosophinnen seit den Anfängen der Quantenmechanik zu kämpfen haben: Wie gehen diese merkwürdigen Quanteneffekte in die klassische Welt über, mit der wir im Alltag vertraut sind?

Experimenteller Ansatz

Die Experimente von Markus Arndt und seinem Team an der Universität Wien nähern sich dieser Frage auf möglichst direkte Weise, indem sie Quanteninterferenzen mit immer massereicheren Objekten aufzeigen. Die Moleküle in den jüngsten Experimenten haben Massen von mehr als 25.000 atomaren Masseneinheiten, ein Vielfaches des vorherigen Rekordes.

Eines der größten Moleküle, das durch das Interferometer geschickt wird, C707H260F908N16S53Zn4, besteht aus mehr als 40.000 Protonen, Neutronen und Elektronen mit einer de Broglie Wellenlänge, die tausendmal kleiner ist als der Durchmesser eines einzelnen Wasserstoffatoms.

Marcel Mayor und sein Team an der Universität Basel verwendeten spezielle Techniken um derart massive Moleküle zu synthetisieren, die dennoch ausreichend stabil sind um einen Molekularstrahl im Ultrahochvakuum zu bilden. Der Nachweis der Quantennatur solcher massenreichen Teilchen erforderte auch ein neues, zwei Meter langes Materiewelleninterferometer, das zu diesem Zweck in Wien gebaut wurde.

Alternative Quantenmodelle und Makroskopizität
Eine Klasse von Modellen, die darauf abzielt, den vermeintlichen Übergang von einem Quanten- zu einem klassischen Regime in Einklang zu bringen, sagt voraus, dass die Wellenfunktion eines Teilchens spontan mit einer Rate zusammenbricht, die proportional zu dem Quadrat seiner Masse ist.

Indem gezeigt wird, dass eine Überlagerung für ein schweres Teilchen für eine bestimmte Zeitdauer aufrechterhalten wird, wird daher direkt festgelegt, wie oft und wie lokalisiert der Kollapsvorgang sein kann. In diesen Experimenten blieben die Moleküle länger als 7 ms in einer Überlagerung – genug um alternative Quantenmodelle mit neuen interferometrischen Grenzen zu versehen.

Ein als Makroskopizität bezeichnetes, verallgemeinertes Maß wird verwendet, um zu klassifizieren, wie gut alternative Modelle durch solche Experimente ausgeschlossen werden. Die Experimente von Fein et al., veröffentlicht in Nature Physics, stellen in der Tat eine Zunahme der Makroskopizität um eine Größenordnung dar.

"Unsere Experimente zeigen, dass die Quantenmechanik, bei all ihrer Verrücktheit, auch erstaunlich robust ist und ich bin optimistisch, dass zukünftige Experimente sie in noch größerem Maßstab testen werden", sagt Yaakov Fein. Die Grenzen zwischen der quanten- und der klassischen Welt wird immer unschärfer.

Originalpublikation in Nature Physics:
"Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa", Y. Y. Fein, P. Geyer, P. Zwick, F. Kiałka, S. Pedalino, M. Mayor, S. Gerlich, and M. Arndt, Nat. Phys. (2019).
doi: 10.1038/s41567-019-0663-9

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Univ.-Prof. Dr. Markus Arndt
Gruppensprecher Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation
Universität Wien
1090 - Wien, Boltzmanngasse 5
+43-1-4277-512 05
markus.arndt@univie.ac.at

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0663-9

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kosmische Katastrophe bestätigt Einsteins Relativitätstheorie
10.07.2020 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen
09.07.2020 | Universität Hamburg

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: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Im Focus: Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen

Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur? Ein Material, das diese Eigenschaft aufweist, also bei Raumtemperatur supraleitend ist, könnte die Energieversorgung revolutionieren. Wissenschaftlern vom Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an der Universität Hamburg ist es nun erstmals gelungen, starke Hinweise auf Suprafluidität in einer zweidimensionalen Gaswolke zu beobachten. Sie berichten im renommierten Magazin „Science“ über ihre Experimente, in denen zentrale Aspekte der Supraleitung in einem Modellsystem untersucht werden können.

Es gibt Dinge, die eigentlich nicht passieren sollten. So kann z. B. Wasser nicht durch die Glaswand von einem Glas in ein anderes fließen. Erstaunlicherweise...

Im Focus: The spin state story: Observation of the quantum spin liquid state in novel material

New insight into the spin behavior in an exotic state of matter puts us closer to next-generation spintronic devices

Aside from the deep understanding of the natural world that quantum physics theory offers, scientists worldwide are working tirelessly to bring forth a...

Im Focus: Im Takt der Atome: Göttinger Physiker nutzen Schwingungen von Atomen zur Kontrolle eines Phasenübergangs

Chemische Reaktionen mit kurzen Lichtblitzen filmen und steuern – dieses Ziel liegt dem Forschungsfeld der „Femtochemie“ zugrunde. Mit Hilfe mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse sollen dabei atomare Bindungen punktgenau angeregt und nach Wunsch aufgespalten werden. Bisher konnte dies für ausgewählte Moleküle realisiert werden. Forschern der Universität Göttingen und des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es nun gelungen, dieses Prinzip auf einen Festkörper zu übertragen und dessen Kristallstruktur an der Oberfläche zu kontrollieren. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Das Team um Jan Gerrit Horstmann und Prof. Dr. Claus Ropers bedampfte hierfür einen Silizium-Kristall mit einer hauchdünnen Lage Indium und kühlte den Kristall...

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erster Test für neues Roboter-Umweltmonitoring-System der TU Bergakademie Freiberg

10.07.2020 | Informationstechnologie

Binnenschifffahrt soll revolutioniert werden: Erst ferngesteuert, dann selbstfahrend

10.07.2020 | Verkehr Logistik

Robuste Hochleistungs-Datenspeicher durch magnetische Anisotropie

10.07.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics