"Austro-Nobelpreis" geht an Markus Arndt: Beweis für Welleneigenschaft von Molekülen

Thema: Materiewellenphysik von Nanomaterialien Wittgenstein-Preis ist mit 1,5 Millionen Euro dotiert

"Austro-Nobelpreis" geht an Markus Arndt: Beweis für Welleneigenschaft von Molekülen © Bild: APA/Hochmuth

Der Quantenphysiker Markus Arndt (43) von der Universität Wien erhält den Wittgenstein-Preis 2008. Das gaben Wissenschaftsminister Johannes Hahn und der Präsident des Wissenschaftsfonds FWF, Christoph Kratky, bekannt. Der jährlich vergebene, mit 1,5 Mio. Euro höchst dotierte Wissenschaftspreis des Landes gilt als "Austro-Nobelpreis". Gleichzeitig wurden die mit je bis zu 1,2 Millionen Euro dotierten START-Preise an acht Nachwuchs-Wissenschafter vergeben.

Arndt, geboren am 14. September 1965 in Unkel am Rhein in der Nähe von Bonn (Deutschland), ist der zweite Wissenschafter nach dem Physiker Ferenc Krausz, der nach dem START-Preis auch den Wittgenstein-Preis erhält. Mit 43 Jahren ist Arndt auch einer der jüngsten Preisträger seit Bestehen des Programms. 1997 kam er als Postdoc zu Experimentalphysiker Anton Zeilinger nach Innsbruck und wechselte mit ihm auch nach Wien. Seit 2004 ist Arndt Professor für Quantennanophysik in der Gruppe Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation der Uni Wien.

Schwerpunkt der Arbeit des Physikers ist "Materiewellenphysik von Nanomaterialien". Hinter diesem sperrigen Titel verbirgt sich der Versuch der Wissenschafter, die Phänomene der Quantenwelt bei immer größeren Komplexen wie Atomen und Molekülen nachzuweisen. Ursprünglich wurde angenommen, das die teils seltsam anmutenden Quanteneigenschaften auf kleinste Teilchen beschränkt sind.

Quantenphänomen
Ein Beispiel für ein solches Quantenphänomen ist die etwa von Lichtteilchen (Photonen) bekannte sogenannte Teilchen-Welle-Dualität. Die masselosen Photonen funktionieren einmal als Teilchen, so als würden winzige Pünktchen durch die Gegend sausen. Andererseits zeigen sie aber auch Wellencharakter. Wie Wellen auf einer Wasseroberfläche können Lichtwellen entweder einander verstärken oder auch auslöschen.

Ein einfacher Versuch zum Nachweis der Welleneigenschaft des Lichts ist das sogenannte Doppelspaltexperiment. Schickt man Licht durch zwei sehr enge und knapp neben einander liegende Spalten, so entstehen auf einem Schirm hinter diesem Doppelspalt sogenannte Beugungsmuster, also helle und dunkle Bereiche. In den hellen Arealen verstärken die Lichtwellen einander, in den dunklen löschen sie sich aus. Die Forscher sprechen dabei auch von Interferenz.

Welleneigenschaften nachweisen
Erst seit wenigen Jahren gelingt es Wissenschaftern auch mit größeren und massiven Teilchen den Wellencharakter experimentell zu zeigen. So erzeugten die Wiener Experimentalphysiker um Anton Zeilinger und Markus Arndt 1999 erstmals Beugungsmuster auch mit relativ großen Fullerenen. In den folgenden Jahren gelang es Arndt und Kollegen, bei immer größeren Molekülen Welleneigenschaften nachzuweisen.

Schon seit Jahren hält er dabei den Weltrekord mit den massereichsten Molekülen. Derzeitige Rekordhalter sind eigens von Kollegen der Universität Basel für die Experimente hergestellte Moleküle ("perfluoralkyl-funktionalisierte organische Verbindungen"). Sie sind etwa drei Nanometer (ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters) groß und damit viermal länger als ein Fulleren mit 70 Kohlenstoff-Atomen.

Faktor um 1.000 vergrößern
Mit dem Wittgenstein-Preis will Arndt versuchen, die Grenzen bezüglich Masse und Komplexität von Teilchen auszuloten, bei denen noch Interferenz nachgewiesen werden kann. "Wir wollen die Massegrenze um den Faktor 1.000 vergrößern", sagte Arndt. Dazu sollen Metall-Cluster verwendet werden, wozu aber u.a. noch neue Kühlmethoden für Moleküle entwickelt werden müssen, weil die Temperaturen für solche Versuche um einen Faktor 100 bis 1.000 gegenüber den bisherigen Experimenten gesenkt werden müssen.

Bisher ist den Wiener Physikern gelungen, Interferenz mit Molekülen mit rund 3.000 Protonen-Massen zu erzeugen. Bei erdgebundenen Experimenten wird angenommen, dass die Grenze bei einer bis zehn Millionen Protonen-Massen liegt. Dann werde der Einfluss der Gravitation so stark, dass die Anforderungen an die Experimente auf der Erde den Wissenschaftern als zu schwer erscheinen. Ohne störenden Einfluss der Gravitation, also in Schwerelosigkeit, könnte die Massengrenze für Quanteneffekte noch einmal um den Faktor 1.000 größer sein, weshalb die Wissenschafter bereits überlegen, solche Experimente eines Tages im Weltall durchzuführen. "Was wir jetzt mit dem Wittgenstein-Geld machen, dient gleichzeitig auch als Vorstudien dazu", sagte Arndt.

Beschäftigungsprogramm
Die Mittel des Wittgenstein-Preises sind Arndt aber auch in anderer Hinsicht willkommen. "Einige Diplomanden sind gerade fertig geworden und die kann ich nun anstellen", sieht er die Auszeichnung auch als "Beschäftigungsprogramm für sehr gute Forscher". Mit ihnen will er auch erste experimentelle Hinweise weiterverfolgen, die zeigten, dass man Quantenmethoden verwenden kann, um an der Grenze zwischen Physik und Chemie Eigenschaften von Molekülen "auf neue Art und präziser als mit anderen Methoden vermessen kann". Weiters will er Oberflächenphysik mit Interferometrie verknüpfen - im Hinblick auf eine neue Art der Molekül-Lithographie. Das Ziel: Mit Hilfe der Interferenz Nano-Strukturen zu erzeugen.

Arndt sieht einen Teil der 1,5 Mio. Euro auch als "Seed Money", um "etwas ganz Neues zu beginnen und verrückte Ideen auszuprobieren". Etwa die Frage, wie Quantenphysik mit der Biologie zusammenhängt. "Zu diesem Thema gibt es weltweit nicht viele Arbeitsgruppen und noch weniger Experimente. Und auch wir werden uns erst einmal hinsetzen und lange nachdenken", sagte der Wittgenstein-Preisträger, der in der Auszeichnung den "wesentlichen Vorteil gegenüber allen anderen Förderungsformen" sieht, "dass er die Freiheit schafft, maximal flexibel auf neu aufkommende Ideen zu reagieren, wann immer sie reif werden".

(apa/red)