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 Rasende Elektronen unter Kontrolle
16.11.2018 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Kometen als Wasserträger für Exoplaneten
15.11.2018 | Universität Wien

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: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Im Focus: A Chip with Blood Vessels

Biochips have been developed at TU Wien (Vienna), on which tissue can be produced and examined. This allows supplying the tissue with different substances in a very controlled way.

Cultivating human cells in the Petri dish is not a big challenge today. Producing artificial tissue, however, permeated by fine blood vessels, is a much more...

Im Focus: Optimierung von Legierungswerkstoffen: Diffusionsvorgänge in Nanoteilchen entschlüsselt

Ein Forschungsteam der TU Graz entdeckt atomar ablaufende Prozesse, die neue Ansätze zur Verbesserung von Materialeigenschaften liefern.

Aluminiumlegierungen verfügen über einzigartige Materialeigenschaften und sind unverzichtbare Werkstoffe im Flugzeugbau sowie in der Weltraumtechnik.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

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

Emulsionen masschneidern

15.11.2018 | Materialwissenschaften

LTE-V2X-Direktkommunikation für mehr Verkehrssicherheit

15.11.2018 | Informationstechnologie

Daten „fühlen“ mit haptischen Displays

15.11.2018 | Energie und Elektrotechnik

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