Diagramm, das das Prinzip der Quantengrinsekatze anhand einer gezeichneten Katze veranschaulicht. An einer Abzweigung wird die Katze von ihrem Grinsen getrennt: Auf dem unteren Strahl ist nur das Grinsen zu sehen, auf dem oberen die Katze ohne Grinsen.

Quanten-Paradoxon experimentell bestätigt

Schrödingers Katze gehört zu den bekanntesten Phänomenen der Quantenphysik. Das Gedankenexperiment beschreibt eine Katze, die in einer Box eingeschlossen ist, in dem ein Gift freigesetzt wird, sobald ein radioaktives Teilchen zerfällt. Solange die Box nicht geöffnet wird, besagen die Gesetze der Quantenmechanik, dass sich dieses Teilchen in einem überlagerten Zustand aus „zerfallen“ und „nicht zerfallen“ befindet. Ergebnis: Die Katze ist gleichzeitig tot und lebendig.

Forschern um Yuji Hasegawa von der TU Wien ist es nun gelungen, ein weiteres Quantenphänomen erstmals experimentell nachzuweisen und auch dabei geht es um Katzen: Die Physiker haben eine sogenannte Quanten-Grinsekatze erzeugt. Der Name leitet sich dabei aus Lewis Carolls Roman „Alice im Wunderland“ ab, in der eine Katze selbst verschwindet, ihr Grinsen aber zurückbleibt. Übertragen auf das Experiment von Hasegawa und seinen Kollegen bedeutet das: Während sich von ihnen untersuchte Neutronen an einem Ort aufhielten, befand sich eine ihrer Eigenschaften – ihr magnetisches Moment – an einem anderen Ort.

Das Team um Hasegawa nutzte die Neutronenquelle am Institut Laue-Langevin in Grenoble. „Neutronen eignen sich sehr gut dafür, weil wir den Versuchsaufbau mit dem Neutroneninterferometer bereits zur Verfügung hatten“, erklärt Hasegawa. In einem solchen Interferometer wird ein Neutronenstrahl mithilfe eines Siliziumkristalls in zwei Strahlen aufgeteilt. Dabei ließen die Forscher im oberen Weg nur Neutronen zu, deren Spin parallel zur Flugrichtung ausgerichtet war. Der untere Weg war den Neutronen vorbehalten, deren Spin ihrer Flugrichtung entgegensetzt war. Zwar sind Neutronen elektrisch neutral. Allerdings sorgt ihr Spin dafür, dass Neutronen ein magnetisches Moment besitzen und daher von Magnetfeldern abgelenkt werden können.

Der Versuchsaufbau zeigt einen Strahl aus Neutronen, der erst geteilt und anschließend wieder zusammengeführt wird. Nur der Strahl, der Neutronen enthält, deren Spin parallel zur Flugrichtung ausgerichtet ist, wird anschließend von einem Detektor registriert.
Der Versuchsaufbau an der Neutronenquelle des Instituts Laue-Langevin

Nachdem das Team die beiden Strahlen wieder zusammengeführt hatte, enthielt der Strahl wieder beide Arten des „Grinsens“. Ein dahinter geschalteter Filter registrierte aber nur jene Neutronen mit einem zur Flugrichtung parallelen Spin. Über diese sogenannte Postselektion konnten die Physiker den Aufenthaltsort der Neutronen im Interferometer bestimmen: Die registrierten Teilchen müssen sich entlang des oberen Pfades bewegt haben, denn nur dort befinden sich Neutronen in diesem Zustand. Wo aber war ihr Spin währenddessen? Dies überprüften die Wissenschaftler anhand eines magnetischen Feldes, das sie am unteren Weg so anlegten, dass dadurch der Spin der Neutronen leicht verändert wurde. Diese Veränderung zeigte sich bei einer anschließenden Messung der Neutronen – doch die Neutronen, die gemessen wurden, hatten ausschließlich den oberen Strahl durchlaufen, waren dem Magnetfeld somit nicht ausgesetzt.

Die Schlussfolgerung: Während die Neutronen den oberen Weg passierten, befand sich ihr magnetisches Moment im unteren Strahl. Die Teilchen waren also räumlich von ihrer Eigenschaft getrennt. Dabei konnten Hasegawa und seine Kollegen ausschließen, dass sie aus Versehen den Ort eines Neutrons, aber das magnetische Moment eines anderen Neutrons maßen. „Unser Neutronenstrahl liefert rund zwar zwanzig Neutronen pro Sekunde, aber es befindet sich immer nur ein Neutron gleichzeitig im Interferometer“, sagt Hasegawa. „Bei der Quanten-Grinsekatze handelt es sich um ein Phänomen einzelner Teilchen. Wir haben das Experiment nur sehr oft wiederholt, um statistisch belastbare Ergebnisse zu erhalten.“

Wie andere Quantenphänomene auch hat die Grinsekatze keine direkten Alltagsanwendungen. Allerdings hoffen die Forscher, mit ihrer Technik Hochpräzisionsmessungen noch weiter zu verbessern. So wäre es denkbar, die Eigenschaft von Teilchen, welche die Messung stören würden, mithilfe der Grinsekatze räumlich vom System zu trennen und so die Störung zu verringern.