24.04.2012

Karlsruher Institut für Technologie

Video zeigt Wellen-Charakter von Teilchen

Die Quantentheorie beschreibt die Welt der Atome sehr präzise. Dennoch entzieht sie sich unserer makroskopischen Alltagsweltanschauung aufgrund ihrer vielen antiintuitiven Vorhersagen. Der Welle-Teilchen-Dualismus ist wohl das bekannteste Beispiel und besagt, dass Materie sich wie Wellen ausbreitet und interferieren kann. Nun hat ein internationales Forscherteam den Interferenzprozess einzelner Moleküle gefilmt. Die Aufnahmen wurden von der Fachzeitschrift nature nanotechnology online veröffentlicht.

„Zu sehen, wie sich das Interferenzmuster mit jedem Lichtfleck, Molekül für Molekül, aufbaut und sich ein Grundprinzip der Quantenmechanik darstellt, vertieft unser Verständis der atomaren Welt“, erklärt Prof. Marcel Mayor, der am Karlsruher Institut für Technologie und an der Universität Basel forscht und lehrt.

Für das Experiment, das zusammen mit Kollegen der Universitäten Wien und Tel Aviv durchgeführt wurde, hat er fluoriszierende Moleküle namens Phtalocyanin synthetisiert, die eine Atommasse bis zu 1298 AMU besaßen und aus bis zu 114 Atomen bestanden. Die Moleküle wurden dann beschleunigt, als langsamer Strahl durch ein optisches Gitter geschickt und setzten sich auf einen Sichtschirm, wo sie durch einen Laser zum Leuchten angeregt wurden. Wie das Interferenzmuster sich aus den einzelnen Lichtpunkten zusammensetzt, hat ein Fluoreszenzmikroskop über 90 Minuten verfolgt. Der Aufbau ist so empfindlich, dass wirklich jedes einzelne Molekül auf dem Schirm auf etwa 10 Nanometer genau lokalisiert wird.

In Zukunft könnte der Versuchsaufbau genutzt werden, um etwa die sogenannte van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den Molekülen im Strahl und denen im Gitter zu untersuchen, die sich im Interferenzmuster recht empfindlich niederschlägt. Auch die Frage, ab welcher Größe und unter welchen Bedingungen sich Teilchen quantenmechanisch oder klassisch verhalten, die sogenannte Dekohärenz, interessiert die Forscher und könnte die Grundlage für neuartige Anwendungen wie etwa Quantencomputer legen. „Doch schon die vielen Einsichten, die uns dieses Experiment über die Quantenwelt und ihre Grenzen erlaubt, sind ein Wert an sich“, stimmt Mayor mit vielen Experten überein, unter anderem Bum Suk Zhao und Wieland Schöllkopf vom Berliner Fritz-Haber-Institut, die das Experiment im begleitenden Kommentarartikel in der gleichen Zeitschrift bewerten.

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