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Quantenphysik : Ein leuchtendes Beispiel für Spuk

  • -Aktualisiert am

Siliziumscheibe mit Interferenzstreifen Bild: picture-alliance / dpa/dpaweb

Einzelne Teilchen, die über große Entfernung miteinander verbunden sind? Schon das erschien Einstein als "spukhafte Fernwirkung". Deutsche Forscher wollen nun sogar die Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Teilchen und einer komplexen Struktur beobachten.

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          Verschränkung ist eines der Phänomene der Quantenphysik, die sich dem gesunden Menschenverstand entziehen. Es besagt, daß die Eigenschaften eines Teilchens in dem Moment festgelegt sind, da man ein mit diesem Teilchen "verschränktes System" beeinflußt - gleich, wie weit dieses davon entfernt ist; die Informationen werden durch "spukhafte Fernwirkung" übertragen, wie sich einst Albert Einstein ausdrückte.

          Das wird zum Beispiel bei der Teleportation, dem "Beamen", und bei der Quantenkryptographie ausgenutzt, der abhörsicheren Übertragung von Informationen. Lange Zeit war man darauf beschränkt, einzelne Teilchen miteinander zu verschränken.

          Sandwichartiger Quantenfilm

          Ein Halbleiter, der aus vielen Atomen und frei beweglichen Leitungselektronen besteht, galt als viel zu komplexes und störanfälliges System, als daß man hoffen konnte, daran die Verschränkung einzelner Quantenteilchen zu beobachten. Die Physiker um Stephan Koch von der Universität Marburg haben jedoch ein Verfahren vorgeschlagen, wie sich die Verschränkung eines Photons mit einer Halbleiterstruktur beobachten lassen sollte. An der Universität von Arizona in Tucson wurde es in die Tat umgsetzt. ("Physical Review Letters", Bd.93, S.67401).

          Entscheidend war, daß die Wissenschaftler für ihre Experimente eine sogenannte Quantenfilmstruktur verwendeten, die aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien bestand. Eine Schicht von nur wenigen Dutzend Atomlagen mit Indiumgalliumarsenid war in Galliumarsenid eingebettet. Ein solcher sandwichartiger Quantenfilm verhält sich bei optischen Experimenten ganz anders als ein Stück Volumenhalbleiter, der aus nur einer einzigen Materialsorte besteht.

          Festkörperphysik

          Als der Quantenfilm von einem Laser bestrahlt wurde, konnten die Elektronen, die eigentlich zu den Indium-, Gallium- beziehungsweise Arsen-Atomen gehören, die Energie dieses Laserlichts aufnehmen und sich in dem Quantenfilm frei bewegen. Sie konnten ihn jedoch weder verlassen noch sich durch das Galliumarsenid bewegen.

          Wenn die Elektronen zu den Atomen zurückkehrten und diese Energie wieder abgaben, strahlte der Halbleiter Licht ab. Dieses Prinzip - Licht zu emittieren, weil Elektronen auf Kosten ihrer Bewegungsfreiheit Energie abgeben - wird in der Festkörperphysik häufig verwendet. Darauf beruhen zum Beispiel der Halbleiterlaser und die Leuchtdiode.

          Interferenzstreifen

          Anders als die Elektronen konnten sich die Photonen, die emittiert wurden, im ganzen Raum ausbreiten. Und zwar jeweils gleichzeitig nach rechts und links, denn auch das ist eine der Merkwürdigkeiten der Quantenmechanik, daß ein Teilchen an zwei Orten gleichzeitig sein kann.

          Die Forscher richteten die Emission nach rechts und die Emission nach links auf den gleichen Detektor und sahen ein charakteristisches Muster, sogenannte Interferenzstreifen. Interferenzen entstehen immer dann, wenn im Gleichtakt schwingende Wellen einander überlagert werden. Wichtig ist, daß die Schwingungen aufeinander abgestimmt sind.

          Schwingungen verschiedener Photonen

          Schon das Auftreten der Interferenzen war ein bemerkenswertes Ergebnis dieses Versuchs. Das Licht, das bei einem solchen Vorgang den Halbleiter verläßt, ist nämlich prinzipiell nicht dazu geeignet, Interferenzen zu erzeugen, weil die Schwingungen verschiedener Photonen nicht aufeinander abgestimmt sind.

          Es sollte also gar nichts passieren, wenn zwei Strahlen einander überlagert werden. Warum war das Muster dennoch zu beobachten? Die jeweils beobachteten einzelnen Photonen stammten aus dem Quantenfilm, sie wurden gleichzeitig nach rechts und nach links abgestrahlt. Das Auftreten des Interferenzmusters zeigte: Jedes Photon interferierte jeweils quasi mit sich selbst.

          Um einen kleinen Winkel gekippt

          Noch bemerkenswerter war jedoch, daß man die Interferenzen einfach dadurch verschwinden lassen konnte, daß man den Quantenfilm minimal kippte. Interferenzen entstehen nämlich nur dann, wenn das Photon auf zwei völlig gleichwertigen Wegen zum Detektor gelangen kann. Bei diesem Experiment wurde das Licht vom Quantenfilm aus senkrecht nach rechts und nach links abgestrahlt.

          Wurde jedoch der Quantenfilm um einen kleinen Winkel gekippt, waren die zwei Richtungen nicht mehr genau gleichwertig. Wenn der Quantenfilm das Photon unter einem Winkel abstrahlte, blieb das Elektronensystem in dem Quantenfilm in einem Zustand zurück, der eine prinzipielle Möglichkeit darstellte, die Richtung der Emission zu bestimmen. Die beiden Wege, auf denen das Licht zum Detektor gelangen konnte, waren durch das Kippen also unterscheidbar geworden.

          Tatsächlich verhielt sich der Quantenfilm so, wie von dieser Erklärung vorhergesagt: Schon eine winzige Verschiebung um zwei Grad reichte aus, die Interferenzen verschwinden zu lassen. Eine Veränderung an den Elektronen des Quantenfilms wirkte sich also unmittelbar auf die Photonen aus, die von dort emittiert worden und scheinbar davon getrennt waren - die Änderung wurde durch "spukhafte Fernwirkung" vermittelt.

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