Teilchen und Wellen

Wiener Forscher filmen erstmals Quantenbewegung

In der Quantenwelt hat ein Objekt nicht nur Eigenschaften eines Teilchens, sondern gleichzeitig auch Welleneigenschaften - das gilt nicht nur für masselose Teilchen wie Photonen, sondern auch für Moleküle. Welleneigenschaften massiver Teilchen sind schon lange bekannt, verblüffen aber immer wieder, weil dies völlig der Alltagserfahrung von Feststoffen widerspricht. Wiener Physiker konnten nun erstmals Quantenbewegungen großer Moleküle auf Video festhalten. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift "Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Das quantenphysikalische Phänomen der Welle-Teilchen-Dualität lässt sich am Beispiel von Lichtteilchen – sogenannten Photonen – illustrieren. Diese verhalten sich als Teilchen, zeigen aber auch Wellencharakter. Die Welleneigenschaft kann man im Doppelspaltexperiment gut sehen: Schickt man Licht durch zwei enge Spalte, 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.

Solche Interferenzmuster erzeugten die Wiener Physiker im Rahmen eines Experiments mit Phthalocyanin-Molekülen, die 58 bis 114 Atome groß sind. Dazu mussten die Wissenschaftler "die Moleküle zum Fliegen bringen, beugen und detektieren", wie der Quantenphysiker Markus Arndt vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien erklärte.

Um die von Chemikern an der Uni Basel synthetisierten Moleküle fliegen zu lassen, wird ein auf nur wenige Mikrometer fokussierter Laser gezielt auf einen Teil der Moleküle gerichtet, um sie zu verdampfen. So werden die Teilchen "nur so kurz der Wärme ausgesetzt, dass sie das überleben".

Moleküle fliegen in alle Richtungen
Die verdampften Moleküle fliegen dann mit Geschwindigkeiten zwischen 100 und 200 Metern pro Sekunde in alle Richtungen davon. Genutzt werden kann nur ein Teil davon. Dieser Molekülstrahl trifft auf das nur etwa zehn Nanometer dünne Gitter aus Siliziumnitrid, in das von Nanotechnologen der Universität Tel Aviv ultradünne Fenster geschnitten wurden.

Unter den von den Forschern geschaffenen Bedingungen treten die Welleneigenschaften der Teilchen in den Vordergrund. Das hat zur Folge, dass ihr Aufenthaltsort nicht mehr klar bestimmbar ist. In diesem Zustand kann man nicht sagen, wo sich das Molekül befindet. "Tatsächlich ist es über mehrere Spalte des Gitters delokalisiert", wie Arndt erklärte. "Wegen der Ununterscheidbarkeit der verschiedenen Wege" durch das Gitter entstehen die Interferenzen, und aus dem ungeordneten Molekülstrahl wird das sichtbare Muster.

Leuchtende Punkte vor der Kamera
Auf einem hochsensiblen Detektor hinterlassen die Teilchen dann ihre Spuren in Form von leuchtenden Punkten, die mit einer Kamera eingefangen werden. Mit dieser Methode kann die Position jedes Moleküls mit einer Genauigkeit von rund 10 Nanometern vermessen werden. Man sehe also sowohl den Teilchenaspekt anhand der einzelnen Punkte als auch die Welleneigenschaften aufgrund ihrer Verteilung, so Arndt. Festgehalten wurde das in einem einminütigen Film von Thomas Juffmann und Kollegen, für den es zwei Titelversionen gibt: "Single molecules in a quantum movie" und "Seeing is believing".

Das Vorhaben sei "vor allem als pädagogisches Experiment" gedacht gewesen. "Wenn man so ein Muster sieht, kann man sofort darauf schließen, dass das Molekül im freien Flug delokalisiert war." Es handle sich somit um ein Phänomen, das "ein Paradebeispiel für die Quantenphysik ist". Man habe für die bildliche Darstellung bereits Anfragen von drei Schulbuchautoren sowie viele Anfragen von Kollegen, die das Video in Universitätsvorlesungen zeigen wollen.