Test der Quantenmechanik auf makroskopischer Skala
Selbst massive Nanopartikel aus Tausenden von Natriumatomen zeigen Wellennatur der Materie.
Wie das Team um Markus Arndt und Stefan Gerlich an der Universität Wien nun erstmals zeigen konnte, bleibt die Wellennatur der Materie auch bei massiven metallischen Nanopartikeln erhalten. Beeindruckend ist die Größenskala: Die Cluster haben einen Durchmesser von etwa acht Nanometern und sind damit in der Größenordnung moderner Transistorstrukturen. Mit einer Masse von mehr als 170.000 atomaren Masseneinheiten, sind sie auch schwererals die meisten Proteine. Trotzdem gelingt bei diesen Nanoteilchen der Nachweis von Quanteninterferenz. „Intuitiv würde man erwarten, dass sich ein so großer Metallklumpen wie ein klassisches Teilchen verhält“, sagt Teammitglied Sebastian Pedalino. „Er interferiert trotzdem noch, was zeigt, dass die Quantenmechanik auch auf dieser Größenskala gültig ist und keiner alternativen Modelle bedarf.“
Die Wissenschafter erzeugen kalte Natrium-Cluster aus 5.000 bis 10.000 Atomen. Die werden durch drei Beugungsgitter geschickt, die mit ultravioletten Laserstrahlen erzeugt werden. Im ersten Laserstrahl wird der Ort jedes Clusters zunächst mit einer Periode von einem zehntausendstel Millimeter auf rund 10 nm genau vorbestimmt und so in eine Überlagerung von Pfaden gebracht, die das Teilchen durch die Apparatur nehmen kann. Wenn diese Möglichkeiten sich am Ende der Maschine überlagern, entsteht ein messbares Streifenmuster aus Metall, in guter Übereinstimmung mit der Quantentheorie.
Das zeigt, dass der Ort der Teilchen im unbeobachteten Flug nicht festgelegt ist. Diese Delokalisierung ist Dutzendmal größer als die Größe jedes einzelnen Teilchens. Zu solchen Schrödinger-Katzenzuständen ist die Analogie in diesem Experiment: „jeder Metallbrocken ist hier und nicht hier.“
Eine umfassende Theorie zur Nahfeldinterferometrie wurde in den vergangenen zwei Jahrzehnten unter anderem von Klaus Hornberger formuliert (U Duisburg Essen), der auch Koautor dieser Studie ist. Hornberger und Stefan Nimmrichter (damals U Wien) führten die Makroskopizität als eine Maßzahl ein, um unterschiedlichste Quantenexperimente vergleichbar zu machen, darunter Nanooszillatoren, Atominterferometer, oder nanoakustische Resonatoren. Die Makroskopizität bemisst, wie streng ein Quantenexperiment selbst kleinste Abweichungen von der Quantentheorie noch ausschließen kann.
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Im neuen Experiment wird nun ein Wert von μ = 15,5 erreicht. Das ist rund eine Größenordnung höher als in allen anderen Experimenten weltweit bisher. Wollte man einen ebenso strengen Test mit Elektronen erzielen, müsste man dessen Quantenüberlagerung für rund hundert Millionen Jahre lang aufrechterhalten. Die massiven Nanoteilchen im Labor der Uni Wien brauchten dafür nur in etwa eine hundertstel Sekunde.
Das Experiment ist vor allem dafür ausgelegt, im Versuch zu verstehen, warum die Quantenphysik so seltsam erscheint und unser Alltag dennoch so „normal“. Künftig sollen noch deutlich massivere Objekte und auch andere Materialklassen untersucht werden, von denen erwartet wird, dass sie noch bessere Tests der Quantenphysik ergeben. In verbesserter Infrastruktur und mit einer neuen Apparatur soll der eigene Rekord in den nächsten Jahren noch um mehrere Größenordnungen verbessert werden. Das Wiener Interferometer ist zugleich aber auch ein höchst empfindlicher Kraftsensor, der derzeit schon Kräfte im Bereich 10-26 N messen kann, in Zukunft noch deutlich empfindlicher. Dies eröffnet neue Perspektiven für Präzisionsmessungen, etwa elektrischer, magnetischer oder optischer Eigenschaften an isolierten Nanopartikeln – eine spannende Ergänzung zu etablierten Methoden der Nanotechnologie. [U Wien / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
S. Pedalino, B. E. Ramírez-Galindo, R. Ferstl, et al., Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry, Nature 649, 866–870, 22. Januar 2026; DOI 10.1038/s41586-025-09917-9 - Theoretische Quantenphysik (Klaus Hornberger), Universität Duisburg-Essen, Duisburg
- Quantennanophysik (Markus Arndt), Fakultät für Physik, Universität Wien
