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Das Prinzip der Überlagerung (Superposition) ist ein grundlegendes Konzept der Quantenphysik, das auch die Grundlage zahlreicher Quantentechnologien bildet. An makroskopischen Objekten des Alltagslebens lässt es sich allerdings nicht beobachten. Dazu muss man in die Mikrowelt eintauchen, wo ein Teilchen beispielsweise gleichzeitig verschiedene Wege zurücklegen kann. In Anlehnung an ein Gedankenexperiment des österreichischen Physikers Erwin Schrödinger (1887-1961), in dem er den Zustand einer Katze ersann, die gleichzeitig tot und lebendig ist (zumindest solange man nicht nachsieht), wird das "Schrödinger-Katze-Zustand" genannt.
Nachweisen lassen sich solche "Schrödinger-Katzen" etwa mit dem berühmten Doppelspalt-Experiment. Fällt Licht durch zwei schmale, parallele Spalte, entstehen durch Verstärkung und Auslöschung der Lichtwellen helle und dunkle Bereiche ("Interferenz"). Doch auch massive Teilchen wie Neutronen, Atome und selbst kleine Moleküle zeigen solche typischen Streifenmuster, wenn sie am Doppelspalt oder einem Lichtgitter gebeugt werden - ein klarer Nachweis der sogenannten Welle-Teilchen-Dualität, wonach sich Objekte in der Mikrowelt - je nach Experiment - wie ein Teilchen oder wie am Doppelspalt wie eine Welle verhalten können.
In den vergangenen Jahren versuchen weltweit Physikerinnen und Physiker, Quantenphänomene an immer größeren Objekten nachzuweisen. Vor einigen Jahren brachte etwa ein Team um Markus Arndt von der Universität Wien ein aus 2.000 Atomen bestehendes Molekül mit einer Masse von mehr als 25.000 atomaren Masseneinheiten in einen Überlagerungszustand mehrerer Orte gleichzeitig. Nun konnten Arndt und sein Kollege Stefan Gerlich mit ihrem Team zeigen, dass die Wellennatur auch bei massiven Metallpartikeln erhalten bleibt. Diese Teilchen aus Natrium haben einen Durchmesser von rund acht Nanometer, bestehen aus bis zu 10.000 Atomen und haben eine Masse von mehr als 170.000 atomaren Masseeinheiten. Damit liegt ihre Größe im Bereich moderner Transistorstrukturen und ihre Masse ist höher als jene der meisten Proteine.
Die Physiker konstruierten ein spezielles Interferometer (Multi-Scale Cluster Interference Experiment) mit drei mittels ultravioletten Laserstrahlen erzeugten Beugungsgitter. Schickt man die Metallklümpchen durch dieses Experiment, kommt es zu einer Überlagerung ihrer Wege, der Ort der Teilchen ist im unbeobachteten Flug nicht festgelegt. Diese Delokalisation ist dabei dutzendmal größer als die Teilchen selbst. Sobald die Teilchen am Ende ihres Weges gemessen werden, entsteht das typische Streifenmuster.
"Das Metallpartikel befindet sich 'hier und dort' im gleichen Quantenzustand, wobei der Abstand zwischen den beiden Orten 133 Nanometer beträgt, also mehr als eine Größenordnung größer ist als das Teilchen selbst. Was in einer klassischen Welt unmöglich erscheint, wird hier zu einer experimentellen Tatsache der Quantenphysik", schreiben die Forscher in ihrer Arbeit. Erst wenn man das Teilchen misst, wird sein Ort eindeutig bestimmt.
Um unterschiedliche Quantenexperimente vergleichbar zu machen, wurde in den vergangenen Jahren mit der sogenannten "Makroskopizität" eine Maßzahl eingeführt. Diese misst, wie streng ein Quantenexperiment selbst minimale Abweichungen von der Quantentheorie ausschließen kann. Das aktuelle Experiment erreicht dabei einen Wert von 15,5, was rund eine Größenordnung höher ist als alle anderen derartigen Experimente weltweit bisher.
Künftig planen die Wissenschafterinnen und Wissenschafter mit ihrer experimentellen Plattform die Materiewelleninterferenz auf noch größere und massivere Objekte, auch aus anderen Materialklassen, auszuweiten. So wollen sie sich etwa dem Massebereich von kleinen Viren annähern. Das neue Interferometer ist aber auch ein sehr empfindlicher Kraftsensor, der derzeit schon extrem kleine Kräfte (im Bereich von zehn hoch minus 26 Newton) messen kann und in Zukunft noch deutlich empfindlicher gemacht werden soll. Dies eröffne neue Perspektiven für Präzisionsmessungen, etwa elektrischer, magnetischer oder optischer Eigenschaften an Nanopartikeln.
(S E R V I C E - https://doi.org/10.1038/s41586-025-09917-9 )
WIEN - ÖSTERREICH: FOTO: APA/APA/S. Pedalino/Uni Wien/S. Pedalino
