28.07.2022

Eine Quantenwelle in zwei Kristallen

Bau eines Neutronen-Interferometer aus zwei getrennten Kristallen geglückt.

Neutronen­interferometer spielen seit Jahrzehnten eine wichtige Rolle für Präzisions­messungen und die physikalische Grundlagen­forschung. Ihre Größe war bisher aber begrenzt, weil sie nur funktionierten, wenn sie aus einem einzigen Kristall hergestellt wurden. Schon seit den 1990er Jahren versuchte man, auch Interferometer aus zwei getrennten Kristallen herzustellen – bisher ohne Erfolg. Doch genau dieses Kunststück gelang nun einem Team von der TU Wien, INRIM Turin und ILL Grenoble durch eine Hochpräzisions­messung mit extrem exakt ausgerichteten Kristallen. Das eröffnet ganz neue Möglich­keiten für Quanten­messungen, bis hin zur Erforschung von Quanteneffekten im Gravitations­feld.

Abb.: Michael Jentschel, Carlo Paolo Sasso, Enrico Massa und Hartmut Lemmel...
Abb.: Michael Jentschel, Carlo Paolo Sasso, Enrico Massa und Hartmut Lemmel bauten aus zwei getrennten Kristallen ein Neutronen-Interferometer. (Bild: M. Jentschel, ILL)

„Das Prinzip des Inter­ferometers ähnelt dem berühmten Doppelspalt­experiment, bei dem ein Teilchen wellenartig auf einen Doppelspalt geschossen wird, als Welle beide Spalte gleichzeitig durchdringt und sich dann mit sich selbst überlagert, sodass danach am Detektor ein charak­teristisches Wellen­muster entsteht“, erklärt Hartmut Lemmel vom Atominstitut der TU Wien. Doch während beim Doppelspalt­experiment die beiden Spalte nur einen minimalen Abstand voneinander entfernt sind, teilt man die Teilchen im Neutronen­interferometer in zwei verschiedene Pfade auf, zwischen denen mehrere Zentimeter liegen. Die Teilchenwelle erreicht eine makro­skopische Größe – trotzdem entsteht durch Überlagerung der beiden Pfade ein Wellenmuster, das eindeutig beweist: Das Teilchen hat sich nicht für einen der beiden Pfade entschieden, es hat beide Pfade gleichzeitig benutzt.

Doch solche Quanten-Über­lagerungen sind äußerst fragil. „Winzige Ungenauigkeiten, Vibrationen, Verschiebungen oder Rotationen zerstören den Effekt“, sagt Lemmel. „Daher fräst man normaler­weise das gesamte Interferometer aus einem einzigen Kristall heraus.“ In einem Kristall sind alle Atome miteinander verbunden und haben eine feste räumliche Beziehung zueinander – so kann man den Einfluss der äußeren Störungen auf die Neutronen­welle minimieren. Das schränkt aber die Möglichkeiten der Neutronen­interferometrie stark ein, denn Kristalle kann man nicht in beliebiger Größe herstellen. „Schon in den 1990er Jahren versuchte man daher, Neutronen­interferometer aus zwei Kristallen herzu­stellen, die dann in größerem Abstand voneinander positioniert werden können“, sagt Lemmel. „Doch das glückte nicht. Die Schwierigkeit daran ist, dass man die beiden Kristalle ganz exakt gegeneinander ausrichten muss.“

Die Anforderungen an die Genauigkeit sind extrem: Schon eine Verschiebung des Kristalls um die Distanz eines Atom­durchmessers verschiebt die Phase der Interferenz um eine volle Periode. Und wenn einer der Kristalle um einen Winkel in der Größenordnung von einem hundert­millionstel Grad verdreht ist, verschwindet das Interferenz­muster ganz. Die nötige Winkel­präzision entspricht etwa der Präzision, mit der man ein von Wien nach Grenoble geschossenes Teilchen kontrollieren müsste, um dort in knapp 900 Kilometern Entfernung eine Stecknadel zu treffen – oder von der Erde aus einen Kanaldeckel auf dem Mond.

Das Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) in Turin brachte die dafür nötige Erfahrung mit, die es auf dem Gebiet der Röntgen­interferometrie über Jahrzehnte hinweg gesammelt hatte. Auch Röntgeninter­ferometer bestehen aus Silizium­kristallen, die ähnlich empfindlich sind. Die Empfind­lichkeit gegenüber der räumlichen Verschiebung eines Kristalls wurde in Turin dafür genutzt, die Gitterkonstante von Silizium mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Dadurch wurde es möglich, die Atome einer makro­skopischen Siliziumkugel zu zählen, die Avogadro- und die Planck-Konstante zu bestimmen und das Kilogramm neu zu definieren. „Was mit Röntgenstrahlen funktioniert, sollte doch auch mit Neutronen möglich sein“, sagt Enrico Massa vom INRIM, „auch wenn die Anfor­derungen mit Neutronen noch höher sind.“ Mit einem zusätzlich eingebauten Laser-Inter­ferometer, Vibrationsdämpfung und Temperatur­stabilisierung ist es der Kollaboration jetzt schließlich gelungen, Neutronen­interferenz in einem System aus zwei voneinander getrennten Kristallen nachzuweisen.

„Das ist für die Neutronen­interferometrie ein ganz entscheidender Durchbruch“ sagt Michael Jentschel vom ILL. „Denn wenn man zwei Kristalle so gut kontrollieren kann, dass Inter­ferometrie möglich wird, dann kann man auch den Abstand zwischen diesen Kristallen erhöhen und somit recht einfach die Größe des Gesamtsystems erweitern.“ Diese Gesamtgröße bestimmt bei vielen Experimenten die Genauigkeit, die man bei der Messung erreichen kann. Man kann nun fundamentale Wechsel­wirkungen mit bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen – etwa den Einfluss von Gravitation auf Neutronen im Quanten­bereich oder die Existenz von hypothetischen neuen Naturkräften.

TU Wien / JOL

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