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Quantenphysik : Genauer, als es Heisenberg erlaubt

  • -Aktualisiert am

Schema des Dänischen Experiments: Ein roter Laserstrahl passiert zunächst eine Atomwolke (rechts) und trifft dann auf eine vibrierende Membran (links), Die Atomwolke verbessert die Messgenauigkeit, die üblicherweise durch das Heisenberg-Limit begrenzt ist. Bild: Bastian L. Strube and Mads Vadsholt

Ein Grundprinzip der Quantenphysik wurde ausgetrickst. Kalte Atome neutralisieren einen Effekt, der die Messungen bislang empfindlich störte. Der Weg zu besseren Sensoren ist nun geebnet.

          Im Reich der Quantenphysik hinterlässt jede noch so behutsam ausgeführte Beobachtung Spuren. Meist wird das Beobachtungsobjekt dabei so gestört, dass die Ergebnisse nachfolgender Messungen beeinflusst werden. So kann man den Aufenthaltsort eines mikroskopischen Objekts zwar recht genau bestimmen, indem man es mit Licht bestrahlt. Die von ihm „abprallenden“ Lichtquanten erteilen ihm aber Stöße, die die Bewegung und damit auch die Position des Objekts unvorhersehbar verändern. Diese quantenmechanische Rückwirkung verhindert unter anderem, dass gleichzeitig der Aufenthaltsort und der Impuls eines Quantenobjekts beliebig genau bestimmt werden können – ein Prinzip, das Werner Heisenberg in den zwanziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts erkannte. Physiker um Eugene Polzik vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Klemens Hammerer vom Albert-Einstein-Institut in Hannover haben nun einen experimentellen Weg gefunden, wie sich der unliebsame Quanteneffekt weitgehend vermeiden lässt, so dass rückwirkungsfreie Messungen möglich sind.

          Das Ziel der Forscher war es, mit Laserlicht die periodischen Auslenkungen einer millimetergroßen hauchdünnen schwingenden Membran aus Siliziumnitrid möglichst präzise zu bestimmen, ohne dass die auf den mechanischen Oszillator treffenden Photonen einen Einfluss auf die Messungen nahmen. Um dies zu bewerkstelligen, plazierten Polzik und seine Kollegen direkt vor die Membran eine Glaszelle, in der sich eine Milliarde tiefgekühlter Cäsium-Atome befanden. Die Zelle mit ihrem Inhalt diente als Bezugsmarke für die Messungen der Membranschwingungen.

          Experimenteller Aufbau Teil1:  Die Atomwolke befindet sich in einer vom einem Metallgehäuse abgeschirmten Glaszelle in der Mitte der Anordnung.
          Experimenteller Aufbau Teil1: Die Atomwolke befindet sich in einer vom einem Metallgehäuse abgeschirmten Glaszelle in der Mitte der Anordnung. : Bild: Ola J. Joensen

          Ein Magnetfeld und gezielte Lichtpulse sorgten dafür, dass die Drehimpulse der Atome in der Glaszelle zunächst allesamt in die Richtung des Magnetfeldes zeigten. Sobald einige Atome von selbst oder aufgrund äußerer Einflüsse ihren Anregungszustand verließen, wich der Gesamtspin in seiner Orientierung ein wenig von der Feldrichtung ab und begann um diese zu kreisen. Von der Seite aus gesehen, führte er dabei Schwingungen aus, ähnlich wie ein mechanischer Oszillator. Indem die Forscher die Stärke des Magnetfeldes veränderten, konnten sie die Schwingungsfrequenz des atomaren Oszillators variieren und auf die Resonanzfrequenz der Membran abstimmen.

          Präzise Messungen dank Impulslenkung

          Der atomare Oszillator hatte eine für das Experiment entscheidende Besonderheit: Während ein klassisches Pendel umso stärker schwingt, je größer sein Energieinhalt ist, war es hier genau umgekehrt. Die Schwingungen wurden umso stärker, je mehr Atome den ursprünglichen Anregungszustand verließen, also je weniger Energie der Oszillator besaß. Die Atomwolke in der Glaszelle verhielt sich wie ein Objekt, das eine „negative“ Masse besitzt, erklären Polizik und seine Kollegen. Ein Objekt mit negativer Masse wird von einem einwirkenden Kraftstoß – anders, als es bei einer „positiven“ Masse der Fall ist – in die Richtung beschleunigt, aus der der Impuls kommt. Für die Cäsium-Atome bedeutet das: Bekommen sie einen Stoß etwa durch eingestrahlte Photonen, dann bewegen sie sich auf die Lichtquelle zu statt von ihr weg. Dieses ungewöhnliche Verhalten der Cäsium-Atome haben die Forscher dazu genutzt, die Schwingung der Membran möglichst störungsfrei zu messen.

          Experimenteller Aufbau Teil2: Die oszillierende Membran befindet sich im Inneren des zylinderförmigen Kryostaten und wird darin tiefgekühlt. Nicht die geringste Wärmebewegung soll die empfindlichen Messungen stören.
          Experimenteller Aufbau Teil2: Die oszillierende Membran befindet sich im Inneren des zylinderförmigen Kryostaten und wird darin tiefgekühlt. Nicht die geringste Wärmebewegung soll die empfindlichen Messungen stören. : Bild: Ola J. Joensen

          Mit einem Laserstrahl, der zuerst die Glaszelle mit den Cäsium-Atomen und dann die Membran passierte, ermittelten sie den effektiven räumlichen Abstand der beiden schwingenden Oszillatoren zueinander. Atomwolke und Membran erhielten zwar von den eintreffenden Photonen jeweils den gleichen Impuls. Weil Laserphotonen auf die Cäsium-Atome aber genau die entgegengesetzte Wirkung hatten wie auf die schwingende Membran, sollten sich die jeweiligen Rückwirkungen im Idealfall vollständig aufheben, so die Überlegung der Forscher. Da die experimentellen Voraussetzungen nicht optimal waren, verschwand die quantenmechanische Rückwirkung nicht vollständig. Sie war aber so stark abgeschwächt, dass eine Messung der Bewegungen der schwingenden Membran relativ zur Atomwolke recht präzise möglich war,  berichten Polzik und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“.

          Kein Widerspruch zu Heisenberg

          Das Zusammenspiel der oszillierenden Atomwolke und der schwingenden Membran steht indes nicht im Widerspruch zu Heisenbergs Unschärfebeziehung. Die Photonen störten weiterhin die Bewegung des gemeinsamen Schwerpunktes der beiden Systeme, und zwar umso stärker, je genauer deren Abstand gemessen wurde. Die durch die quantenmechanische Rückwirkung der Photonen gestörte Schwerpunktbewegung hatte aber auf die eigentliche Messung keinen Einfluss.

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          Für die Forscher hat das von ihnen entwickelte Verfahren praktische Relevanz. So lässt sich die schwingende Membran beispielsweise als präziser Beschleunigungssensor nutzen. Wirkt nämlich eine äußere Kraft, so ändert sich dessen Schwingungsverhalten auf charakteristische Weise. Dank des angeschlossenen atomaren Oszillators könnte diese Beschleunigungsmessung mit stark reduzierter quantenmechanischer Rückwirkung erfolgen. Auch Gravitationswellendetektoren ließen sich auf diese Weise noch empfindlicher machen. Diese Instrumente registrieren mit einem extrem stabilen Laserstrahl, der zwischen zwei Spiegeln hin und her geworfen wird, winzige periodische Längenänderungen, die von Gravitationswellen aus den Tiefen des Universums erzeugt werden. Noch immer begrenzt die störende Wirkung der Photonen des Laserstrahls auf die Spiegel die Empfindlichkeit der Detektoren.

          Zudem zeigt das Experiment einen Weg auf, wie man makroskopische mechanische Oszillatoren und die Spins von Atomen auch über große Entfernungen hinweg in gemeinsame „verschränkte“ Quantenzustände bringen kann. Gelänge das, würden beide Systeme ein perfekt abgestimmtes Verhalten zeigen. Die Atome spürten dann sofort, wenn sich das Verhalten der Membran ändert und umgekehrt. Damit würden sich neue Möglichkeiten für die Quantenkommunikation zwischen einem mechanischen und atomaren Systemen eröffnen.

          Ungleiche Partner in gegenseitigem Bann

          Immer wenn eine Galaxie auf eine andere trifft, nimmt deren individuelles Schicksal durch die gravitative Wechselwirkung mit dem Partner eine neue Wendung. Gasströme werden ausgetauscht, und die Entstehung neuer Sterne wird massiv angeregt. Zu beobachten ist dieser interaktive Prozess galaktischer Zweisamkeit beispielsweise gut 30 Millionen Lichtjahre von uns entfernt im Aufeinandertreffen der großen Balkenspiralgalaxie NGC 1512 und der kleinen benachbarten blauen Zwerggalaxie NGC 1510, wie diese aktuell veröffentlichte Aufnahme des Hubble Weltraumteleskop zeigt. Seit etwa 400 Millionen Jahren üben die beiden Systeme bereits einen prägenden Einfluss aufeinander aus. Die blaue Färbung der Zwerggalaxie weist auf die intensive Entstehung junger, heißer Sterne hin, die durch NGC 1512 angeregt wurde.

          Doch auch die große Balkenspiralgalaxie – im Durchmesser etwas kleiner als unsere Milchstraße – spürt die Wirkung ihres kleinen Partners: Der sich an das Zentrum der Galaxie anschließende Balken, durch den Gas aus den äußeren Spiralarmen der Galaxie nach innen fließt, könnte zumindest teilweise durch die vom Gravitationsfeld der Zwerggalaxie ausgeübte Störung entstanden sein. Gleiches gilt für den inneren, bläulich leuchtenden Ring um das galaktische Zentrum der großen Galaxie, in dem ungewöhnlich viele junge, heiße Sterne gebildet werden.

          NGC 1512 erstreckt sich noch deutlich weiter, als in dieser Abbildung bei optischen Wellenlängen sichtbar ist. Gas der äußeren Spiralarme, das die Balkenspiralgalaxie vermutlich anderen Galaxien in der Vergangenheit entrissen hat, umfasst bereits jetzt die kleine Zwerggalaxie. Irgendwann werden die beiden Systeme, deren Zentren noch 4500 Lichtjahre voneinander entfernt sind, vollkommen verschmolzen sein. Nur noch vage Spuren werden dann darauf hinweisen, dass NGC 1510 irgendwann einmal eine eigenständige Zwerggalaxie gewesen ist, bevor sie in den Einfluss von NGC 1512 geriet. (sian)

          Quelle: F.A.Z.

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