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StartseiteForschung aktuell Heute Teilchen, morgen Welle09.03.2010

Heute Teilchen, morgen Welle

Das "Quantenmännchen von Wien"

Physik.- Das "Quantenmännchen von Wien" - so nennt ein Physikerteam aus der Donaumetropole ein Molekül, dessen Form mit etwas Fantasie Ähnlichkeit mit einem Mann besitzt. Dieses molekulare Männlein soll kürzlich eine enge Verbindung mit der Quantenphysik eingegangen sein.

Von Frank Grotelüschen

Zentrale Frage für die Wiener Forscher: Wie groß können die Gebilde maximal sein, die dem eigenartigen Zwittertum aus Welle und Teilchen anheim fallen? (Rice University)
Zentrale Frage für die Wiener Forscher: Wie groß können die Gebilde maximal sein, die dem eigenartigen Zwittertum aus Welle und Teilchen anheim fallen? (Rice University)

In diesem Jahr wird sie 110 Jahre alt. Doch nach wie vor gibt sie den Physikern Rätsel auf – die Quantenphysik, also jene Theorie, die die Welt im Kleinen beschreibt, die Welt der Atome und Moleküle. Manche ihrer Merkmale muten abstrus an, scheinen sich der Anschauung regelrecht zu widersetzen. So auch ein Phänomen namens Welle-Teilchen-Dualismus. Ein Atom zum Beispiel tritt für gewöhnlich als handfestes, nahezu punktförmiges Teilchen auf, als winzige Billardkugel. Doch schon im nächsten Moment kann es sich plötzlich wie eine Welle verhalten – eine Materiewelle, verschmiert über Raum und Zeit.

"Und das ist ja eine ganz seltsame Eigenschaft. Weil wir Großen, wir können das nicht",

sagt Markus Arndt, Physikprofessor an der Universität Wien. Seit Jahren stellt er sich eine grundlegende Frage: Wie groß können die Gebilde maximal sein, die dem eigenartigen Zwittertum aus Welle und Teilchen anheimfallen? Um das zu beantworten, haben Arndt und seine Leute ein Experiment aufgebaut: Im Prinzip ein langes, luftleer gepumptes Metallrohr, durch das die Quantenteilchen ungestört fliegen, bis sie auf ein Hindernis treffen – ein Gitter. Für die Quanten wirkt dieses Gitter wie eine Wand mit mehreren Türen. Als Teilchen können die Quanten nur durch eine der vielen Türen spazieren. Anders, wenn sie in die Gestalt einer Welle schlüpfen.

"Die erlaubt es einem, durch zwei Türen gleichzeitig zu gehen – in Anführungszeichen, muss man sagen. Es benimmt sich so als wenn."

Mit seiner Apparatur kann Markus Arndt präzise sehen, ob das Quant nun als Welle durch zwei Türen gleichzeitig geschlüpft ist oder nicht. Das nämlich verrät ein Lichtmuster hinter dem Gitter. Im Laufe der Jahre gelang es dem Physiker, immer größere und schwerere Teilchen durch seinen Apparat zu schleusen – und zu beweisen, dass sie sich wie Wellen verhalten können und damit den Regeln der Quantenphysik gehorchen.

"Wir haben inzwischen einen ganzen Zoo durchprobiert. Es waren erst die Fullerene, C60 ist ja der kleine Fußball. Wir hatten organische Teilchen, Farbstoffe, die man aus der Biologie kennt. Wir hatten fliegend auch schon Hämoglobin, aber noch nicht interferierend."

Das bedeutet: Das Hämoglobin hat seinen Quantencharakter bislang noch nicht gezeigt. Stattdessen präsentieren die Forscher nun einen anderen Clou: ein exotisches Riesenmolekül, das in der Wiener Apparatur zumindest ansatzweise seine Quantennatur offenbart hat. Ein Molekül von höchst ungewöhnlicher Gestalt.

"Weil der so aussieht wie ein kleines Männchen. Der hat wirklich fünf Henkel – also zwei Arme, zwei Beine und einen Hals mit einem kleinen Kopf dran. Na ja – manchmal sage ich tatsächlich auch noch: Das ist ein kleiner Mann, der hat auch noch am Unterleib eine kleine Ausbuchtung."

Der Wiener Quantenmann ist fast 4000 Mal schwerer als ein Wasserstoffatom – und damit das bislang schwerste Molekül, von dem man weiß, dass es dem Welle-Teilchen-Dualismus gehorcht. In Zukunft aber will Markus Arndt keine Quantenmänner mehr durch seine Röhre schicken, sondern schlichte, winzige Kügelchen aus Metall, sogenannte Cluster. Die nämlich wären bis zu zehntausend Mal schwerer als das Quantenmännlein.

"Der dichteste Metallcluster, der sinnvoll zu verwenden wäre, wäre Gold. Dann ist das in der Größe von einigen Nanometern, also immer noch winzig, aber schon massiv wie ein Virus. Das ist einer der Vorteile der Metallcluster: Die sind viel dichter, deswegen kann man die besser durch die Gitter durchschicken. Die stoßen weniger an."

Innerhalb der nächsten zwei Jahre könnten erste Ergebnisse vorliegen. Sollte sich dabei zeigen, dass der Welle-Teilchen-Dualismus bei den schweren Metallkügelchen gar nicht mehr auftritt, müsste womöglich die wichtigste Formel der Quantenphysik umgeschrieben werden – die Schrödinger-Gleichung, benannt nach ihrem Schöpfer Erwin Schrödinger.

"Erwin Schrödinger ist in Tirol begraben. Und auf seiner Grabtafel ist tatsächlich die Schrödinger-Gleichung aufgeschrieben. Da ist noch ein kleines bisschen Platz. Und wer weiß: Vielleicht könnte man da später noch was ergänzen. Wobei, wenn wir was ergänzen, würden wir natürlich nicht das Grab von Schrödinger schänden, sondern vielleicht einen neuen Stein daneben setzen."

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