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F.A.Z. v. 20.10.1999

Auch Fullerene haben Welleneigenschaften

Quantenmechanisches Verhalten großer Partikeln / Experimente mit geschlitztem Gitter / Von Rainer Scharf

Die Quantentheorie ist das Fundament der modernen Naturwissenschaften.  In zahllosen Experimenten haben sich ihre Vorhersagen stets bewahrheitet, obwohl sie häufig unserer Alltagserfahrung zu widersprechen scheinen.  So soll jedes Materieteilchen Welleneigenschaften besitzen, die es ihm zum Beispiel ermöglichen, zwei Lochblenden in einer Trennwand gleichzeitig zu durchqueren.  Experimente mit Elementarteilchen, Atomen, kleinen Molekülen und Atomclustern haben diese Vorhersage bestätigt.  Doch für makroskopische Objekte wie etwa Tennisbälle hat man dergleichen nicht beobachtet.  Noch ist unklar, wie groß ein Gegenstand sein darf, ehe seine quantenmechanische Wellennatur unbeobachtbar wird. Österreichische Wissenschaftler haben jetzt nachgewiesen, dass selbst bei Fulleren-Molekülen, die aus 60 Kohlenstoffatomen bestehen, die Welleneigenschaften noch deutlich erkennbar sind.

Die Forscher um Anton Zeilinger von der Universität Wien haben mit Fulleren-Molekülen ein Beugungsexperiment ausgeführt, wie es in ähnlicher Form auch mit Lichtwellen möglich ist ("Nature", Bd. 401, S. 680).  Dabei ließen sie die Moleküle aus einem Ofen entweichen, in dem diese auf etwa 700 Grad Celsius erhitzt worden waren.  Dann blendeten sie mit zwei hintereinander liegenden Schlitzblenden einen feinen, rund einen fünfzigstel Millimeter dicken Molekülstrahl aus.  Wie Messungen ergaben, flogen die meisten Moleküle in der Strahlmitte.  Zum Rand hin nahm die Zahl der Moleküle stetig ab.  In diesen Strahl brachten die Forscher ein Beugungsgitter, ein Plättchen aus undurchdringlichem Material, das pro Millimeter 10 000 regelmäßig angeordnete Schlitze enthielt.  Diese Schlitze waren genauso breit wie die Stege zwischen ihnen und etwa siebzig Mal so breit wie ein Fulleren-Molekül.

Misst man die Verteilung der Moleküle etwa einen Meter hinter dem Beugungsgitter, so findet man den Molekülstrahl überraschend in drei Teilstrahlen aufgefächert.  Würde jedes der Moleküle genau durch einen Gitterschlitz fliegen, so könnte sich der Molekülstrahl zwar aufweiten; in Teilstrahlen auffächern könnte er sich aber selbst dann nicht, wenn die Moleküle durch das Gitter abgelenkt würden.  Die Quantentheorie gibt indes eine vollständige Erklärung, warum das Beugungsgitter den Molekülstrahl auffächert.

Der Quantentheorie zufolge breitet sich jedes Fulleren-Molekül als Materiewelle aus.  Trifft solch eine Welle auf das Beugungsgitter, so geht sie durch mehrere Gitterschlitze zugleich hindurch.  Dabei entstehen Teilwellen, die hinter dem Beugungsgitter ein Interferenzmuster erzeugen.  Längs bestimmter Ausbreitungsrichtungen verstärken sich diese Wellen, während sie sich in anderen Richtungen auslöschen.  In einiger Entfernung hinter dem Beugungsgitter beobachtet man dann Teilstrahlen, zwischen denen Bereiche liegen, die von den Molekülen gemieden werden.

Wenn man die Moleküle bei ihrem Flug durch das Beugungsgitter genauer beobachten will, um herauszufinden, durch welchen Schlitz ein bestimmtes Molekül tatsächlich fliegt, dann muss man die Materiewelle stören.  Dadurch würde das Interferenzmuster verschwinden.  Zeilinger und seine Mitarbeiter weisen darauf hin, dass die heißen Moleküle auf ihrem Flug durch die Versuchsapparatur jeweils zwei bis drei Infrarotphotoneu ausstrahlen und dadurch ihre Flugbahn, wenn auch ungenau, preisgeben.  Die Wellenlänge dieses Infrarotlichtes ist zweihundert Mal so groß wie der Abstand der Schlitze.  Daher ist es auch bei Nachweis dieser Strahlung nicht möglich zu entscheiden, durch welchen Schlitz ein Molekül gerade fliegt.  Die Interferenz der molekularen Materiewellen wird folglich nicht durch die Infrarotemission beeinträchtigt.

Obwohl die Fulleren-Moleküle zehnmal so schwer sind wie die größten Partikeln, für die man bisher den quantenmechanischen Wellencharakter nachgewiesen hat, sind es natürlich immer noch submikroskopisch kleine Teilchen.  Die österreichischen Wissenschaftler halten es aber für möglich, mit Hilfe geeigneter Beugungsgitter das Experiment mit Viren anstelle der Fullerene wiederholen zu können. 
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