Quantenbeugung an einem Hauch von Nichts
Experiment zeigt erstmals Delokalisation massiver Moleküle an einatomigem Gitter.
Die quantenmechanische Wellennatur der Materie ist Grundlage für viele moderne Technologien, wie etwa die höchstauflösende Elektronenmikroskopie, die Strukturuntersuchung von Festkörpern mit Neutronen oder hochempfindliche atomare Trägheitssensoren. Forscher der Uni Wien gehen der Frage nach, wie man die Grundlagen solcher Quantentechnologien auf große Moleküle oder Cluster übertragen und nutzen kann.
Abb.: Mit modernsten Fabrikationsmethoden werden atomar dünne Nanomasken hergestellt, die robust genug für die molekulare Quantenoptik sind. (Bild: U. Wien)
Um die quantenmechanische Wellennatur eines solchen Objekts zu demonstrieren, muss es zunächst delokalisiert werden. Dafür nutzen die Wissenschaftler Heisenbergs Unschärferelation: Werden Moleküle von einer punktförmigen Quelle aus auf die Reise geschickt, „vergessen“ sie nach einiger Zeit, wo sie sich befinden. Stellt man ihnen jetzt ein Gitter in den Weg, so wissen sie nicht, durch welchen Spalt sie fliegen. Es ist, als ob sie durch mehrere Spalte gleichzeitig hindurch gehen würden. Dadurch entsteht eine charakteristische Verteilung der Teilchen hinter dem Gitter, ein Beugungs- oder Interferenzmuster, das man nur aufgrund der quantenmechanischen Wellennatur verstehen kann.
In Zusammenarbeit mit Partnern von der Tel Aviv University, wo die Nanomasken geschrieben wurden, sowie der Uni Jena zeigten Forscher erstmals, dass solche Strukturen auch in die dünnsten möglichen Membranen geschrieben werden können. Mittels fokussierter Ionenstrahlen wurden nanomechanische Gitter in ultradünne Membranen aus Siliziumnitrid, Biphenylmolekülen und Kohlenstoff geschrieben und diese in höchstauflösender Elektronenmikroskopie analysiert. Dabei gelang es schließlich, stabile und hinreichend großflächige Strukturen selbst in atomar dünnem, einlagigem Graphen herzustellen.
Schon in früheren Experimenten waren solche Gitter nur etwa ein Hundertstel eines Haardurchmessers dick. Aber selbst solche hauchdünnen Strukturen sind noch zu dick, wenn die daran gebeugten Moleküle aus Dutzenden von Atomen bestehen. So ziehen die Wände des Gitters die fliegenden Moleküle aus dem Strahl, so dass sie für den Versuch verloren gehen. „Es war eine große Herausforderung, die Dicke dieser Gitter – und damit die wirkenden Kräfte – bis auf das fundamental mögliche Minimum zu reduzieren, und dennoch eine stabile Beugungsstruktur zu bauen", erläutert Teamleiter Markus Arndt.
„Das sind die dünnsten Beugungsstrukturen für die Materiewellenoptik, die je geschaffen wurden. Trotzdem sind sie so robust, dass sie ihren Zweck sehr gut erfüllen“, sagt sein Mitarbeiter Christian Brand. „Bei einer Dicke von nur einem millionstel Millimeter beeinflusst das Gitter die hindurchfliegenden Moleküle nur noch für wenige billionstel Sekunden.“
Jedes Nanogitter ähnelt einer winzigen Harfe. Damit stellt sich die Frage, ob die Moleküle, die mal nach rechts und mal nach links gebeugt werden, diese Harfe in Schwingung versetzen können. Wäre das der Fall, so würde die jeweils angestoßene Saite den Weg des Moleküls verraten und die charakteristische Quanteninterferenz würde verschwinden. Dieses Modell realisiert ein Gedankenexperiment von Niels Bohr und Albert Einstein, die vor Jahrzehnten darüber debattierten, ob es möglich sei, den Weg eines Quantums durch einen Doppelspalt zu kennen und dennoch seine Wellennatur zu sehen.
„Und wieder ist es Werner Heisenbergs Unschärfe, welche die Situation klärt“, so Arndt. „ Obwohl die Moleküle bei der Beugung am Gitter abgelenkt werden und es ein wenig in Bewegung versetzen, ist dieser Rückstoß immer noch kleiner als die natürliche, quantenmechanische Bewegungsunschärfe des Gitters und somit prinzipiell nicht messbar. Das gilt sogar für Strukturen, die nur ein Atom dick sind."
UW / RK
