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Interferierende Fußbälle

Von Rainer Scharf

Beim Fußballspielen kann man die Quantenmechanik normalerweise außer Acht lassen. Kickt man aber mit fußballförmigen Fullerenmolekülen, dann führt die quantenmechanische Interferenz zu manchem Torschuss, der "klassisch" unmöglich wäre. Wie es zu diesem Unterschied kommt, hat die Gruppe von Anton Zeilinger jetzt genauer untersucht.

Dass sich Elektronen, Neutronen und Atome bisweilen wie Wellen verhalten, daran hat man sich inzwischen schon gewöhnt. Trifft etwa ein Atom auf einen Schirm mit einem Doppelspalt, so geht die Materiewelle des Atoms durch beide Spalte zugleich hindurch. Es entstehen zwei Teilwellen, die sich hinter dem Schirm wieder vereinigen und ein Interferenzmuster bilden. Überall dort, wo sich die beiden Teilwellen auslöschen, kommt kein Atom hin; wo sie sich konstruktiv überlagern, findet man die Atome dafür umso häufiger.

Vor vier Jahren war es den Forschern um Anton Zeilinger gelungen, auch für "Buckybälle" die Welleneigenschaften in einem Beugungsexperiment sichtbar zu machen. Die de Broglie-Wellenlänge der rund ein Nanometer (10-9 m) großen C60-Moleküle betrug dabei wenige Picometer (10-12 m). Nur für einen sehr scharf gebündelten Molekülstrahl ließ sich mit Hilfe eines extrem feinen Beugungsgitters und eines gut auflösenden Detektors ein deutliches Interferenzmuster beobachten. Warum kann man ein solches Muster nicht auch mit Fußbällen erzeugen?

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Bei fußballförmigen Fullerenmolekülen macht sich die quantenmechanische Interferenz bemerkbar. Beim Spielen mit echten Fußbällen kann man sie hingegen glücklicherweise vernachlässigen. (Quelle: Zeilinger-Gruppe, Uni Wien)

Klaus Hornberger und seine Kollegen von der Universität Wien haben jetzt genauer untersucht, wie eine Materiewelle so stark gestört werden kann, dass es nicht mehr zur Interferenz kommt und das Beugungsmuster verschwindet. Dazu haben sie diesmal einen Strahl von C70-Molekülen auf ein Beugungsgitter gerichtet, dessen Schlitze etwa 475 nm breit waren und einen Abstand von 991 nm hatten. Nachdem die Moleküle mit rund 100 m/s durch das Gitter geflogen waren, trafen sie in einem Abstand von 22 cm auf ein zweites Gitter von derselben Art. Dieses Gitter teilte die Materiewelle jedes Moleküls in Teilwellen, die anschließend interferierten. Mit einem Detektor ließ sich ein Interferenzmuster beobachten, in dem sich "helle" und "dunkle" Bereiche abwechselten.

Hinter dem zweiten Beugungsgitter befand sich ein Füllgas, dessen Zusammensetzung und Druck die Forscher systematisch veränderten. Je größer der Gasdruck war, umso häufiger kam es vor, dass eines der C70-Moleküle mit einem Gasatom zusammenstieß. Bei jedem Zusammenstoß wurde eine der Teilwellen der Materiewelle so stark gestört, dass sie nicht mehr zu Interferenz beitragen konnte. Da die C70-Moleküle aber viel schwerer waren als die Atome des Füllgases, wurden sie durch den Zusammenstoß nicht aus der Bahn geworfen und erreichten den Detektor weiterhin. Dort trugen sie aber nichts zum Interferenzmuster bei, sondern sie überdeckten es.

Je größer der Druck des Füllgases war, umso verwaschener wurde das Interferenzmuster. Die Zusammensetzung des Füllgases - ob Helium, Stickstoff oder Argon - spielte dabei keine große Rolle. Die Forscher fanden, dass die Sichtbarkeit oder der Kontrast des Interferenzmusters stets exponentiell mit dem Gasdruck abnahm: V(p)=V(0) exp(-p/p0). Der so genannte Dekohärenzdruck p0 lag für alle benutzten Füllgasen bei etwa einem Millionstel Millibar.

Nimmt man statt der schweren C70-Moleküle leichtere Moleküle, um die Interferenz von Materiewellen zu beobachten, so macht sich das Füllgas weniger störend bemerkbar. Die leichten Moleküle werden bei der Kollision mit dem Füllgas völlig aus der Bahn geworfen und erreichen dann den Detektor nicht mehr. Sie können deshalb das Interferenzmuster auch nicht überdecken und auf diese Weise ruinieren. Doch wie steht es mit Teilchen, die wesentlich schwerer sind als Buckbälle? Kann man zum Beispiel Interferenzexperimente mit Viren machen, deren Masse etwa hunderttausend Mal so groß ist wie die eines Buckyballs?

Damit man auch in diesem Fall noch ein Beugungsmuster beobachten kann, darf der Druck des Füllgases nicht größer sein als ein Milliardstel Millibar. Die österreichischen Forscher sind zuversichtlich, dass man diese Bedingung erfüllen kann. Es wird indes nicht so schnell gelingen, einen Fußball mit sich selbst interferieren zu lassen. Schon die Kollision mit einem einzigen Gasatom würde ausreichen, ihn wieder in die Welt der klassischen Physik zurückzuholen. 
 

Originalarbeit
Klaus Hornberger et al., Collisional Decoherence Observed in MatterWave Interferometry, Phys. Rev. Lett. 90, 160401 (2003)
http://link.aps.org/abstract/PRL/v90/e160401
http://www.ap.univie.ac.at/users/Klaus.Hornberger/pubs/prl3.html

Kontakt
Klaus Hornberger, E-Mail: klh@quantum.at
Markus Arndt, E-Mail: markus.arndt@univie.ac.at

Weitere Infos

Interferenz mit großen Molekülen:
http://www.quantum.univie.ac.at/research/matterwave/c60/index.html
http://www.quantum.univie.ac.at/research/matterwave/talbotlau/index.html

Frühere Experimente:
Markus Arndt et al., Wave-particle duality of C60 molecules, Nature 401, 680 (1999).
http://www.ap.univie.ac.at/users/Markus.Arndt/C60diffraction.pdf

Einführung:
Olaf Nairz et al., Quantum interference experiments with large molecules, Am. J. Phys. 71, 319 (2003).
http://ojps.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=AJPIAS000071000004000319000001

pro-physik.de v. 30.4.2003

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