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Klaziumionen in der Ionenfalle.

Schnelle Quanten zittern wirklich

1930 sagte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger voraus, dass rasende Teilchen spontan zu zittern beginnen würden - auch bei völliger Abwesenheit äußerer Kräfte. 80 Jahre lang blieb es bei der grauen Theorie, nun haben Innsbrucker Physiker den mysteriösen Effekt erstmals nachgewiesen.

Physik 06.01.2010

Das Kleine und das Schnelle

Lange Zeit waren Quantenmechanik und Spezielle Relativitätstheorie zwei getrennte Paar Schuhe, bis der Brite Paul Dirac sich an die Vereinigung der beiden Theorien machte. Er entwickelte 1930 die - später so benannte - Dirac-Gleichung, die die Physik revolutionieren sollte. Sie sagte voraus, dass es neben der handelsüblichen Materie auch ein ladungsvertauschtes Gegenstück, die Antimaterie, geben müsse. Und sie erklärte, warum Elektronen einen Drehimpuls besitzen.

Schrödingers Prognose

Zwei Jahre später berechnete Erwin Schrödinger mit Hilfe von Diracs Gleichung, dass Teilchen nahe der Lichtgeschwindigkeit in eine eigenartige Zitterbewegung verfallen würden, die im Übrigen auch im Englischen "Zitterbewegung" heißt.

"Nach der Dirac-Gleichung bewegt sich ein solches Teilchen im freien Raum nicht geradlinig fort, sondern 'zittert' in allen drei Raumdimensionen", sagt Christian Roos vom Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI). Bislang war allerdings unklar, ob sich diese Zitterbewegung in der Natur jemals direkt beobachten lassen würde. Denn bei Elektronen würde ihre Amplitude nur das Tausendstel eines Nanometers betragen.

Ebenso winzig wären die Zeitdimensionen, ein Elektronen würde pro Sekunde 10 hoch 21 Zitterzyklen absolvieren - zu kurz um mit heutigen Messgeräten registriert zu werden. Auch entsprechende Berechnungen scheiterten bislang an der mangelnden Rechenleistung der Computer.

Trick mit der Ionenfalle

Die Studie "Quantum simulation of the Dirac equation" ist im Fachblatt "Nature" (Bd. 463, S. 68) erschienen.

Die Innsbrucker Forscher griffen daher zu einem Trick: Sie sperrten ein Kalziumion in eine sogenannte Ionenfalle und kühlten es mittels Laserbeschuss stark ab. Damit beschränkten sie die Bewegung des Teilchens auf eine räumliche Dimension, was spätere Messungen und Berechnungen erleichterte.

In diesem wohldefinierten Zustand wurden dem Teilchen mit Hilfe von weiteren Lasern die Eigenschaften von relativistischen Teilchen eingeschrieben. Dadurch begann das Kalziumion zwar nicht mit Fast-Lichtgeschwindigkeit durch die Ionenfalle zu rasen, aber es verhielt sich genauso wie ein freies, relativistisches Teilchen, das den Gesetzmäßigkeiten der Dirac-Gleichung gehorcht.

Bei anschließenden Messungen wiesen Roos und Co. nach: Schrödinger hatte Recht, die Zitterbewegung stellt sich auch in der Quantensimulation ein. Der deutsche Physiker Christof Wunderlich sagt der Methode in einem "Nature"-Kommentar eine große Zukunft voraus: Quantensimulationen könnten jene wissenschaftliche Marktlücke füllen, die sich zunehmend zwischen Experimenten und Computermodellen auftue.

science.ORF.at/APA

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