Blick in die Übergangszone zur Quantenwelt

Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, einen Einblick in die Übergangszone zwischen der Quantenwelt und der gewöhnlichen klassischen Alltagswelt zu gewinnen. Dazu nutzten die Physiker ein Wassermolekül als winzigen Doppelspalt für Elektronen.

Wasserstoffmolekül als Doppelspalt
Wasserstoffmolekül als Doppelspalt

Berkeley (USA)/Frankfurt - Das einfache System könnte den Wissenschaftlern in Zukunft dabei helfen, Quantenphänomene besser zu verstehen und beispielsweise in Quantencomputern anzuwenden. Das Team berichtet im Fachblatt "Science" über sein wegweisendes Experiment.

Vorbild für das neue Experiment ist die Beugung von Elektronen am Doppelspalt. Schickt man Elektronen nacheinander durch einen Doppelspalt, so erhält man auf einer Fotoplatte hinter dem Spalt ein Interferenzmuster -- die Elektronen verhalten sich wie Wellen, die durch beide Spalte gleichzeitig hindurch gehen und sich dahinter wieder überlagern. Sobald man jedoch misst, durch welchen Spalt die Elektronen jeweils hindurch gehen, verschwindet das Interferenzmuster: Die Elektronen verhalten sich wieder wie klassische Teilchen.

In internationaler Zusammenarbeit führten nun zwei Diplomandinnen aus der Arbeitsgruppe von Professor Reinhard Dörner am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt am Lawrence Berkeley National Laboratory in der Nähe von San Francisco eine raffinierte Variante des Doppelspalt-Experiments durch. Dabei schossen sie hochenergetische Röntgenphotonen auf ein Wasserstoffmolekül. Die Röntgenstrahlung schlägt ein Elektron aus dem Molekül heraus, wobei das Molekül als Doppelspalt wirkt: Das Elektron breitet sich als Quantenwelle von beiden Atomen gleichzeitig aus und kann so ein Interferenzmuster erzeugen.

Der Clou ist nun, dass das Elektron auch noch das zweite Elektron aus dem Wasserstoff-Molekül herausschlägt. Aus der Bewegung dieses zweiten Elektrons können die Physiker dann Informationen über das erste Elektron ableiten, ohne dieses direkt zu beobachten. So konnten sie dem Übergang vom Quanten- zum klassischen Verhalten auf die Schliche kommen. Solange nämlich das zweite Elektron wenig Energie abbekommt, erlaubt es auch nur wenige Rückschlüsse auf das erste Elektron -- das in diesem Fall ein typisches Quantenverhalten zeigt. Nimmt das zweite Elektron jedoch viel Energie auf und liefert damit auch genauere Informationen über das erste Elektron, so verschwindet bei diesem das Quantenverhalten.

"Sobald das zweite Elektron einen hinreichend genauen Rückschluss auf die Bahn des ersten Elektrons zulässt, verschwindet das Wunder der Quantenwelle wieder", erklärt Reinhard Dörner. Doch ist damit auch die Quanteneigenschaft des Gesamtsystems aus zwei Elektronen zerstört? Keineswegs, wie die Frankfurter Physikerinnen erstmals nachweisen konnten. Mit einem speziellen, in Frankfurt entwickelten Detektor konnten sie zeigen, dass die Welleneigenschaft in diesem Fall auf die Schwerpunktsbewegung übertragen wird. Die Geheimnisse werden in der Quantenwelt also nur umverteilt: Hat man sich an einer Stelle Klarheit verschafft, wird es an anderer Stelle wieder ungewiss.