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Wenn Quantenphysiker Fußball spielen

Interferenzexperimente mit C70-Molekülen

Von Rainer Scharf

Beim Fußballspielen kann man normalerweise die Gesetze der Quantenphysik getrost außer acht lassen. Mit einem fußballförmigen Fulleren-Molekül gelingt jedoch so mancher quantenmechanische Schuß, der gegen die Regeln der klassischen Mechanik verstößt. Aber wie kommt es, daß man mit mikroskopisch kleinen Objekten Quantenfußball spielen kann, mit makroskopischen Bällen jedoch nicht? Bis zu welcher Teilchengröße macht sich die Quantenphysik eigentlich bemerkbar? Im Prinzip sollte es sogar möglich sein, einen Fußball mit sich selbst interferieren und durch beide Löcher einer Torwand fliegen zu lassen. Das zeigen zumindest die jüngsten Experimente der Forscher um Anton Zeilinger von der Universität Wien.

Bisher ist es noch nicht vorgekommen, daß ein Fußball beim Schuß auf die Sportstudio-Torwand durch beide Löcher zugleich geflogen ist. Mit Elektronen oder Atomen bereitet das keine Schwierigkeiten. Trifft etwa ein Atom auf einen Schirm mit zwei dicht nebeneinander liegenden Löchern, so kann die de-Broglie-Materiewelle des Atoms durch beide Löcher zugleich dringen. Es entstehen zwei Teilwellen, die sich hinter dem Schirm wieder vereinigen und miteinander überlagern. Wiederholt man das Experiment viele Male, so entsteht ein Interferenzmuster, das man mit einem Teilchendetektor sichtbar machen kann.

Vor die Wahl gestellt, zeigen auch größere Moleküle ihre quantenmechanische Wellennatur und fliegen gleichzeitig durch mehrere Löcher in einer Wand. Anton Zeilinger und seine Mitarbeiter hatten bereits vor vier Jahren Fullerenmoleküle auf einen Schirm mit zahllosen feinen Schlitzen geschossen. Dabei konnten sie hinter dem Gitter ein deutliches Überlagerungsmuster beobachten. Die Moleküle bestanden aus 60 Kohlenstoffatomen und hatten einen Durchmesser von immerhin einem Nanometer, also einem millionstel Millimeter. Inzwischen hat man dieses Experiment auch mit größeren Fullerenen aus 70 Kohlenstoffatomen, sogenannten C70-Molekülen, wiederholt.

Je größer die Teilchen sind, desto schwieriger ist es, ihre quantenmechanische Wellennatur sichtbar zu machen. Warum das so ist, haben Anton Zeilinger, Klaus Hornberger und ihre Kollegen jetzt genauer untersucht ("Physical Review Letters", Bd. 90, Nr. 160401). Schon geringste Wechselwirkungen eines Teilchens mit seiner Umwelt, wie der Zusammenstoß mit anderen Atomen, können seine Materiewelle so stark stören, daß das Interferenzmuster hinter dem Gitterschirm verschwindet. Damit verliert sich auch das Indiz dafür, daß das Teilchen mehrere Schlitze zugleich durchquert und sich dabei quantenmechanisch verhalten hat. Es benimmt sich dann wieder so, wie es die klassische Mechanik vorschreibt.

In ihrem Experiment haben die österreichischen Physiker C70-Moleküle mit einer Geschwindigkeit von hundert Metern pro Sekunde auf einen Gitterschirm geschossen, dessen Schlitze knapp einen halben Mikrometer breit waren und einen Abstand von etwa einem Mikrometer hatten. Nachdem die Moleküle durch das Gitter geflogen waren, trafen sie in einem Abstand von rund zwanzig Zentimetern auf ein zweites Gitter von derselben Art. Dieses teilte die Materiewelle jedes Moleküls in zahlreiche Teilwellen, die anschließend miteinander interferierten. Ein Detektor registrierte ein Muster, in dem sich "helle" und "dunkle" Bereiche abwechselten.

Hinter dem zweiten Gitterschirm befand sich ein Füllgas, dessen Zusammensetzung und Druck die Forscher systematisch veränderten. Je größer der Gasdruck war, desto häufiger stieß eines der C70-Moleküle mit einem Gasatom zusammen. Bei jeder Kollision wurde eine der Teilwellen der Materiewelle so stark gestört, daß es nicht mehr zur Interferenz kam. Da die C70-Moleküle viel schwerer waren als die Atome des Füllgases, wurden sie durch den Zusammenstoß nicht aus der Bahn geworfen und erreichten somit den Detektor weiterhin. Zum Interferenzmuster trugen allerdings nur jene Moleküle bei, die nicht mit den Gasatomen zusammengestoßen waren. Die Moleküle, die einen Zusammenstoß erlitten hatten, überdeckten das Muster. Je größer der Druck des Füllgases war, desto verwaschener und undeutlicher wurde es. Die Forscher fanden heraus, daß der Kontrast des Interferenzmusters exponentiell mit dem Gasdruck abnahm. Die Zusammensetzung des Füllgases - ob Helium, Stickstoff oder Argon - spielte indes keine große Rolle.

Benutzte man statt der schweren C70-Moleküle leichtere Moleküle, so macht sich das Füllgas weniger störend bemerkbar. Die leichten Teilchen werden bei der Kollision mit dem Füllgas nämlich völlig aus der Bahn geworfen und erreichen den Detektor nicht mehr. Sie können deshalb das Interferenzmuster auch nicht überdecken und somit undeutlicher machen. Die quantenmechanische Natur leichter Moleküle tritt deshalb klarer zutage und läßt sich einfacher beobachten.

Doch wie steht es mit Teilchen, die wesentlich schwerer sind als die Fußballmoleküle? Kann man zum Beispiel ein Interferenzexperiment mit Viren ausführen, deren Masse etwa hunderttausendmal so groß ist wie die eines C70-Moleküls? Damit man auch in diesem Fall noch ein Interferenzmuster beobachten kann, darf der Druck des Füllgases nicht größer sein als eine billionstel Atmosphäre. Die Forscher sind zuversichtlich, daß man dieses Experiment bald ausführen kann. Es wird indes nicht so schnell gelingen, einen Fußball durch beide Löcher einer Torwand zugleich fliegen zu lassen. Schon die Kollision mit einem einzigen Gasatom würde ausreichen, den Ball wieder in die Welt der klassischen Physik zurückzuholen. 
 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 07.05.2003, Nr. 105 / Seite N1

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