Standort: science.ORF.at / Meldung: "Schrödingers Katze aus 430 Atomen"

Künstlerische Darstellung eines Molekülels

Schrödingers Katze aus 430 Atomen

Schritt für Schritt werden die Objekte größer, an denen die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik zu beobachten sind. Einen neuen Rekord stellen künstliche Moleküle mit 430 Atomen dar: Wiener Quantenphysiker haben sie dazu gebracht, sich so zu verhalten, wie die Katze in Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment.

Quantenphysik 06.04.2011

"Oktopus" nennen die Forscher deshalb auch in Anlehnung an sein historisch-animalisches Vorbild eines der Moleküle. Wie Schrödingers Katze zugleich tot und lebendig ist, kann man auch bei dem organischen Designermolekül nicht genau sagen, an welchem Ort es sich befindet.

Das Molekül ist dreimal größer als der bisherige "Quantenrekordhalter", berichtet ein Forscherteam um Markus Arndt von der Universität Wien in ihrer Studie.

Die Studie:

"Quantum interference of large organic molecules" von Stefan Gerlich und Kollegen ist im Fachblatt "Nature Communications" erschienen.

Interferenz von Licht und anderen Teilchen

Ein zentrales Phänomen der Quantenphysik ist die sogenannte Welle-Teilchen-Dualität: Je nachdem welche Eigenschaften man gerade misst, können sich die winzigen Objekte der Quantenwelt demzufolge als Teilchen oder als Welle verhalten. Erstmals anhand von Elektronen vorgeschlagen hat das der französische Physiker Louis de Broglie vor rund 90 Jahren.

Paradebeispiel für das Phänomen ist Licht. Die Lichtteilchen (Photonen) gebärden sich einmal als Teilchen, so als würden winzige Objekte durch die Gegend sausen. Andererseits zeigen sie aber auch Wellencharakter: Als Lichtwellen können sie einander verstärken oder auch auslöschen.

Diese Welleneigenschaft kann man im Doppelspaltexperiment gut sehen: Schickt man Licht durch zwei enge Spalten, so entstehen auf einem Schirm dahinter sogenannte Beugungsmuster, also helle und dunkle Bereiche. In den hellen Arealen verstärken die Lichtwellen einander, in den dunklen löschen sie sich aus. Die Forscher sprechen dabei auch von Interferenz, das entsprechende Messgerät heißt Interferometer.

Das "Oktopus-Molekül"

Künstlerische Darstellung der komplexesten und massivsten Moleküle (PFNS-10, TPP-152), mit denen Quanteninterferenz nachgewiesen werden konnte

Mathias Tomandl

Rund sechs Nanometer groß ist das "Oktopus-Molekül", das chemisch auf den hübschen Namen "TPPF152" hört. "Bei Raumtemperatur pulsieren die Ärmchen des Moleküls tatsächlich wie jene von einem Oktopus, wenn man sich das am Monitor ansieht", sagt Markus Arndt.

Künstliche Rekordmoleküle

Seit einigen Jahren gelingt es Wissenschaftlern, diesen Wellencharakter auch bei größeren und massiven Teilchen nachzuweisen. Das bisherige Rekordmolekül hatte mehr als 100 Atome, die nun vorgestellten zwei Arten an die 400.

"Bei dem einen handelt es sich um perfluorierte Nanosphären, die v.a. aus Kohlenstoff und Fluor bestehen, man kann sich das als teflonartigen Kunststoff vorstellen. Das andere Molekül enthält zusätzlich Wasserstoff und einen Biofarbstoff. Mit 430 Atomen ist es das bisher größte, an dem quantenphysikalische Effekte gemessen werden konnten", erklärt Arndt gegenüber science.ORF.at.

"Die Synthese wurde von den Kollegen in Basel und Delaware beigetragen. Dazu braucht es echte Chemie-Profis. Die synthetischen Moleküle haben gegenüber organischen den Vorteil, dass man ihre chemische Zusammensetzung gut festlegen kann. Sie sind etwas größer und schwerer als Insulinmoleküle. Bei einer Erhitzung würde Insulin denaturieren und zerstört werden wie ein Ei, das man auf dem Ofen brät und fest wird. Wir brauchen aber frei fliegende Moleküle."

Spezielles Interferometer

Den Flug der Moleküle erzeugen die Forscher durch einen Teilchenstrahl. Die in Pulver- bzw. Lackform befindlichen Grundsubstanzen werden deshalb in den Container des KDTL-Interferometers gegeben. Dabei handelt es sich um ein adaptiertes Interferometer, bei dem es statt eines einfachen Hindernisses mit zwei Spalten drei Gitter hintereinander gibt. Das Grundprinzip ist aber dem Doppelspaltexperiment sehr ähnlich.

Die künstlichen Stoffe werden dann auf rund 280 Grad Celsius erhitzt. "Im Prinzip dampfen die Teilchen dann heraus wie Wasser aus dem Kochtopf, nur viel langsamer", erklärt Arndt. "Molekül für Molekül fliegt dann durch den winzigen Spalt des Interferometers."

Teilchen können nicht genau lokalisiert werden

Die Moleküle verhalten sich in vielerlei Hinsicht wie klassische Teilchen, im Interferometer offenbaren sie aber ihren Wellencharakter: Ihr Aufenthaltsort ist nicht mehr klar zu unterscheiden, sie haben die Eigenschaft eines klassischen Teilchens verloren, nämlich einen wohldefinierten Ort zu haben.

Vielmehr befinden sie sich in einem Überlagerungszustand. "Dieser Zustand ähnelt formal demjenigen von Schrödingers Katze, die zugleich lebt und tot ist. Die Quantenphysik bezeichnet dies als 'Superposition'", so Arndt.

Echte Katze ist unerreichbar

Bleibt die Frage, bis zu welcher Größe die Phänomene der Quantenwelt eines Tages beobachtet werden können. "Das weiß heute noch keiner, deswegen machen wir ja unsere Experimente", sagt Arndt zu science.ORF.at.

Mit organischen Designermolekülen und Metall-Clustern könnte bereits in den nächsten drei Jahren eine zehn- bis hundertfache Vergrößerung der Masse erreicht werden. Darüberhinaus könnte eine Änderung der Standard-Quantentheorien notwendig werden.

"Die Superposition einer echten Katze im makroskopischen Sinne wird man jedenfalls nicht hinbekommen", prophezeit Arndt.

Lukas Wieselberg, science.ORF.at/APA

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