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Makroskopische Quantenphänomene : An der Schnittstelle zwischen zwei Welten

Ein mikromechanischer Oszillator gekoppelt mit einem Mikrowellenresonator Bild: Foto A. Sanders

Noch immer wissen die Physiker nicht, wo die Grenze zwischen der Quantenwelt und der Alltagswelt verläuft. Bisher war lediglich klar, dass sich auch große Moleküle wie Quanten verhalten können. In Dresden wurde man jetzt eines Besseren belehrt.

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          Atome, die sich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten, Elektronen, die unüberwindliche Hindernisse „durchtunneln“, oder Paare von Photonen, die ohne direkten Kontakt auf eine Weise miteinander verbunden sind, dass sie sich auch über große Distanzen hinweg wie ein einheitliches System verhalten – in der Quantenwelt ist vieles möglich, was in der Alltagswelt unvorstellbar ist. Aber wo beginnt das Reich der Quanten, und wo endet es? Gelten die Quantengesetze auch für „alltägliche“ Objekte, die man mit dem bloßen Auge erkennen kann? Diese Fragen, die schon die Väter der Quantenphysik – Albert Einstein, Nils Bohr und Erwin Schrödinger – beschäftigten, haben nichts an Aktualität verloren. Mit immer ausgeklügelteren Experimenten versuchen die Physiker, den Gültigkeitsbereich der Quantenphysik zu erweitern, indem sie beispielsweise die Eigenschaften von Quantenobjekten auf makroskopische Objekte wie mechanische Oszillatoren übertragen. Welche Fortschritte inzwischen erzielt worden sind, ist in der vergangenen Woche auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Dresden deutlich geworden.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Atome und mikromechanische Oszillatoren scheinen schon allein wegen des unterschiedlichen Größenverhältnisses wenig Gemeinsamkeiten zu besitzen. Die Physiker verfolgen das ehrgeizige Ziel, zwei scheinbar unvereinbare Welten zusammenzubringen. „Wir wollen Energie und Information von der Quantenwelt auf die Makrowelt übertragen und so möglicherweise ein Quantenverhalten auch bei makroskopischen Objekten hervorrufen“, begründet Philipp Treutlein von der Universität Basel in Dresden seine Experimente. Dem Physiker ist es mit seinen Kollegen gelungen, eine Wolke aus zwanzigtausend extrem kalten Rubidiumatomen an einen schnell schwingenden mikrometergroßen Federbalken zu koppeln. Solche Oszillatoren sind so empfindlich, dass sie dazu genutzt werden, einzelne Moleküle nachzuweisen oder Oberflächen zu erkunden sowie einzelne Atome sichtbar zu machen.

          Koppelungen über einen Meter hinweg

          Die Rubidiumatome in der Wolke befanden sich im niedrigsten Energiezustand und zeigten ein absolut synchrones quantenmechanisches Verhalten, das viele Sekunden andauerte. Als man die etwa 200 Nanometer lange zigarrenförmige Wolke bis auf einen Mikrometer an den Federbalken herangeführt hatte, begann zwischen den kollektiv schwingenden Atomen der Wolke und den Oberflächenatomen des Balkens eine anziehende Kraft zu wirken. Es entstand eine so starke Kopplung, dass sich die Atomwolke und der Federbalken wie zwei schwingende Pendel mit extrem unterschiedlichen Massen verhielten, die über eine Spiralfeder miteinander verbunden sind.

          Dass man Atome und einen Oszillator sogar miteinander koppeln kann, wenn sie einen Meter voneinander entfernt sind, sich somit weit außerhalb der Reichweite jeglicher anziehender Kräfte befinden, haben Treutlein und seine Kollegen in ihrem jüngsten Experiment herausgefunden. Der Oszillator war eine 0,5 mal 0,5 Millimeter große und fünfzig Nanometer dicke Membran, die sie senkrecht in den Strahlengang eines roten Laserstrahls stellten. Da er einen Teil des auftreffenden Lichts reflektierte, bildeten der ein- und der zurücklaufende Strahl eine stehende Lichtwelle mit Wellentälern und -bäuchen. Eine Wolke aus einer Million kalter Rubidiumatome wurde behutsam in den Strahlengang der Welle gebracht, woraufhin sich die Teilchen gleichmäßig auf die Täler verteilten, aus denen sie nicht mehr entweichen konnten.

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