Quantenphysik-Durchbruch: 10.000 Metallatome gleichzeitig an zwei Orten

Wenn massives Metall die Gesetze der Realität herausfordert

Seit Jahrzehnten wissen wir, dass winzige Teilchen sich auf bizarr unlogische Weise verhalten können. Doch was geschieht, wenn nicht einzelne Elektronen oder Atome getestet werden, sondern komplette Cluster aus Tausenden von Metallatomen? Wissenschaftler aus Wien haben gerade eine erstaunliche Antwort geliefert: Ja, selbst diese makroskopischen Strukturen können in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand eintreten – als würden sie simultan an mehreren Orten existieren.

Einem Forscherteam gelang es, Natrium-Nanopartikel mit bis zu 10.000 Atomen in den berühmten Schrödingers-Katze-Zustand zu versetzen. In dieser Phase besitzt jedes Teilchen keine feste Position, sondern verhält sich, als befände es sich gleichzeitig an verschiedenen Stellen. Diese bahnbrechende Entdeckung, veröffentlicht im Fachjournal Nature, markiert einen der bedeutendsten Fortschritte beim Verständnis der Grenze zwischen Quantenwelt und klassischer Physik.

Ein Versuchsaufbau am äußersten Rand des Möglichen

Durchgeführt wurde die Arbeit von Physikern der Universität Wien und der Universität Duisburg-Essen. Sie stellt einen Meilenstein in der Erforschung der sogenannten quantenmechanischen Makroskopizität dar. Bislang wurden Quanteninterferenz-Experimente hauptsächlich mit Atomen, einfachen Molekülen oder leichten biologischen Strukturen realisiert.

Diesmal jedoch agierten metallische Nanopartikel mit über 170.000 Dalton Masse als Hauptdarsteller – ein Wert, der viele komplexe Proteine übertrifft.

Um dieses Ergebnis zu erreichen, nutzten die Forscher eine spezielle Materiewellen-Interferometrie-Technik. Die Cluster werden gekühlt, ausgerichtet und anschließend durch drei mit Ultraviolettlasern erzeugte Gitter geschickt. Das Resultat: Ein sichtbares Interferenzmuster – eine Art wellenförmiger Fingerabdruck, der sich ausschließlich erklären lässt, wenn sich die Partikel wie Quantenwellen verhalten.

Der Schlüssel liegt nicht allein in der Partikelgröße, sondern auch in der Strecke, die sie ohne Messung zurücklegen. Während dieser Passage besitzen sie keine fixe Position. Diese Delokalisierung übertrifft nach Angaben des Teams die Teilchengröße selbst um mehr als eine Größenordnung.

Die berühmteste Katze der Physik kehrt zurück

Der Begriff Schrödingers-Katze-Zustand ist mehr als eine kulturelle Referenz. In der Physik beschreibt er Situationen, in denen ein System sich gleichzeitig in zwei sich gegenseitig ausschließenden Zuständen befinden kann. In diesem Fall waren die Natriumcluster räumlich gesehen gleichzeitig „hier und dort“.

Wie die Wissenschaftler erklären: „Dieser Quantenzustand ist analog zu Schrödingers Katze: Hier fordert ein makroskopisches Objekt die Intuition heraus, indem es eine Überlagerung klassisch unterscheidbarer Trajektorien impliziert.“

Das Verblüffendste: Diese Quantenzustände kollabierten während des Experiments nicht. Die Interferenz blieb sichtbar, was die Gültigkeit des Quantenmodells auch für größere Objekte bestätigt. Anders ausgedrückt: Die Quantenwelt endet nicht bei Elektronen oder kleinen Molekülen – sie reicht erheblich weiter.

Wie ein beispielloses Experiment konstruiert wurde

Für diesen Durchbruch entwickelte das Team eine experimentelle Plattform namens MUSCLE. Hier werden Natriumcluster in einer Aggregationskammer erzeugt und auf 77 Kelvin gekühlt. Anschließend durchlaufen sie eine Talbot-Lau-Interferometer-Konfiguration, die drei optische Gitter aus ultravioletten Lichtstrahlen verwendet.

Jedes Gitter erfüllt eine spezifische Funktion: Das erste präpariert die Kohärenz, das zweite fungiert als Phasengitter, und das dritte ermöglicht die Aufzeichnung des resultierenden Musters.

Die eingesetzte Technologie erlaubt es, die Quantentrajektorie der Partikel präzise zu kontrollieren und Abweichungen mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit zu messen.

Das Ergebnis war eindeutig: Ein streifenförmiges Muster, das nur entsteht, wenn Partikel sich wie Wellen verhalten und nicht mit klassischen Trajektorien erklärbar ist. Die Sichtbarkeit erreichte bei mittelschweren Clustern 10 Prozent und bei den massivsten Partikeln bis zu 66 Prozent. Wie im Fachartikel festgehalten: „Wir beobachteten die Interferenz massiver, weitgehend delokalisierter Partikel und demonstrierten, dass die Standardquantenmechanik auf dieser Skala gültig bleibt.“

Was der Rekord in Makroskopizität bedeutet

Einer der wichtigsten Beiträge dieser Studie ist der erreichte Wert der quantenmechanischen Makroskopizität – ein Maß, das in den letzten Jahren eingeführt wurde, um zu quantifizieren, wie „groß“ oder „klassisch“ ein System im Quantenzustand ist. Je höher der Wert, desto stärker die Fähigkeit des Experiments, alternative Theorien zu widerlegen, die postulieren, dass Quantenphysik auf großer Skala versagt.

Dieser Versuch erreichte einen Wert von μ = 15,5, der den bisherigen Rekord um eine Größenordnung übertrifft. Laut den Autoren würde es erfordern, Elektronen hundert Millionen Jahre lang in Überlagerung zu halten, um denselben Beweiswert zu erreichen. Stattdessen benötigten diese Cluster nur eine Hundertstelsekunde.

Dies impliziert, dass die Schrödinger-Gleichung nicht modifiziert werden muss, um das Beobachtete zu erklären – was die Robustheit des Quantenmodells selbst an der Grenze zwischen Mikro- und Makroskopisch verstärkt.

Und jetzt? Die Zukunft der Quantenmechanik mit Nanopartikeln

Das Experiment demonstriert nicht nur, dass quantenmechanische Gesetze für größere Objekte gelten als bisher angenommen. Es öffnet auch Türen zu neuen Forschungen mit noch komplexeren Materialien, einschließlich Biomolekülen und kleinen Viren.

Zudem hat das verwendete Interferometer praktische Anwendungen: Es funktioniert als extrem empfindlicher Kraftsensor, der Wechselwirkungen in der Größenordnung von 10-26 Newton erfassen kann. Dies könnte genutzt werden, um elektrische, magnetische oder optische Eigenschaften isolierter Nanopartikel zu messen und bestehende Nanotechnologie-Techniken zu ergänzen.

Das Team hofft, durch technische Verbesserungen die Empfindlichkeit des Experiments um ein Vielfaches zu steigern. Außerdem planen sie, die Bandbreite der analysierbaren Partikeltypen zu erweitern und andere Materialien einzubeziehen. Dieser Fortschritt fordert nicht nur theoretische Grenzen der Physik heraus, sondern kann in den kommenden Jahren konkrete technologische Auswirkungen haben.