Wunderland der Quantenphysik
Konnen sich Neutronen an einem anderen Ort befinden als ihr eigener Spin? Quantenexperiment am ILL zeigt neues Quanten-Paradox auf.
Die Grinsekatze im Roman „Alice im Wunderland“ von Lewis Caroll hat ganz besondere Fahigkeiten: Sie selbst verschwindet, ihr Grinsen bleibt aber zuruck. Lasst sich ein Objekt von seinen Eigenschaften trennen? In einem Quantenexperiment ist das nun gelungen: Neutronen wurden dazu gebracht, sich entlang eines anderen Wegs zu bewegen als eine ihrer Eigenschaften – ihr magnetisches Moment. Diese „Quanten-Grinsekatze“ konnte dazu dienen, Hochprazisionsmessungen unempfindlicher gegen Storungen zu machen.
Abb.: Tobias Denkmayr beim Experiment in Grenoble (Bild: TU Wien)
Nach den Gesetzen der Quantenphysik konnen sich Teilchen in einer Uberlagerung unterschiedlicher Zustande befinden. So kann man beispielsweise einen Strahl von Neutronen mit Hilfe eines Silizium-Kristalls auf zwei unterschiedliche Strahlen aufteilen und zeigen, dass sich die einzelnen Neutronen nicht fur einen der beiden moglichen Wege entscheiden mussen, sondern in einer Quanten-Uberlagerung beide Strecken gleichzeitig durchlaufen.
„Diese experimentelle Technik bezeichnet man als Neutroneninterferometrie“, sagt Yuji Hasegawa von der TU Wien. „Sie wurde hier am Atominstitut in den 1970er Jahren entwickelt und hat sich als perfektes Werkzeug zur Untersuchung der Grundlagen der Quantenmechanik erwiesen.“ Hasegawa versammelte ein großes Team – mit Tobias Denkmayr, Hermann Geppert und Stephan Sponar von der TU Wien, Alexandre Matzkin vom CNRS und Jeff Tollaksen von der Chapman University in Kalifornien. Gemeinsam gelang es, eine „Quanten-Grinsekatze“ zu fangen: Das System verhalt sich, als waren die Neutronen raumlich von ihrem magnetischen Moment getrennt.
Das Experiment selbst wurde an der Neutronenquelle des Institut Laue-Langevin in Grenoble durchgefuhrt, wo das Atominstitut eine weltweit einzigartige Messstation fur Neutroneninterferometrie betreibt. In Grenoble wurde das Team zusatzlich von Hartmut Lemmel unterstutzt. In einem Interferometer wird zunachst ein Neutronenstrahl in zwei Teile aufgespalten, dann sorgt man dafur, dass die Spins beider Teilstrahlen unterschiedliche Richtungen einnehmen: Der obere Neutronenstrahl hat einen Spin parallel zur Flugrichtung des Neutrons, die Spinrichtung des unteren Strahls ist antiparallel zur Flugrichtung. Nachdem die beiden Strahlen wieder zusammengefuhrt worden sind, wahlt man gezielt jene Neutronen aus, deren Spin in Flugrichtung zeigt – die anderen werden einfach ignoriert. „Das bezeichnet man als Postselection“, erklart Hermann Geppert. „Im Strahl gibt es Neutronen unterschiedlicher Spin-Richtungen, wir analysieren aber nur um einen Teil davon.“
Abb.: Herzstück des Experiments ist ein Kristall, der einen Neutronenstrahl auftrennen und wieder zusammenführen kann. (Bild: TU WIen)
Diese Neutronen, die im Zustand „Spin in Flugrichtung“ vorgefunden werden, mussen sich entlang des oberen Pfades bewegt haben, denn nur dort befinden sich die Neutronen in diesem Zustand. Dies lasst sich auch experimentell beweisen: Baut man im unteren Pfad einen Filter ein, der einen geringen Anteil der Neutronen verschluckt, dann bleibt die Anzahl der am Ende gemessenen „Spin in Flugrichtung-Neutronen“ gleich. Baut man den Filter oben ein, sinkt die Zahl dieser Neutronen.
Komplizierter wird es allerdings, wenn man zusatzlich auch untersucht, wo der Spin der Neutronen zu finden ist: Durch ein Magnetfeld wird der Spin der Neutronen leicht verandert. Wenn man die beiden Strahlen auf geeignete Weise uberlagert, konnen sie sich dann gegenseitig verstarken oder abschwachen. Genau das lasst sich im Experiment beobachten, wenn man ein Magnetfeld am unteren Pfad anlegt, also dort, wo die Neutronen, die fur das Experiment entscheidend sind, sich eigentlich gar nicht aufhalten. Ein Magnetfeld am oberen Pfad hingegen hat keine Auswirkungen.
„Eben dadurch, dass wir die Neutronen anfangs in einem speziellen Zustand praparieren und am Ende ganz bestimmte Neutronen postselektieren, erreichen wir, dass die moglichen Wege im Interferometer beide eine Bedeutung fur das Experiment haben – allerdings auf ganz unterschiedliche Weise“, sagt Tobias Denkmayr. „Entlang des einen Weges koppeln die Teilchen selbst an unseren Messapparat, aber nur der andere Weg ist empfindlich gegenuber einer Kopplung des Spins. Das System verhalt sich also so, als waren Teilchen raumlich von ihren Eigenschaften getrennt.“
Abb.: Grundidee der Quanten-Cheshire-Katze ist ein Interferometer, das einen Strahl in einen oberen und einen unteren Weg aufteilt. So trennt es ein Objekt von seiner Eigenschaft getrennt – als würde sich eine Katze oben, ihr Grinsen aber unten fortbewegen. (Bild: L. Filter, TU Wien)
Interessant ist das fur Hochprazisionsmessungen, die heute sehr oft auf dem Prinzip der Quantenuberlagerung beruhen. „Wenn ein Quantensystem eine Eigenschaft hat, die man messen will, und eine andere, die das System anfallig gegen Storungen macht, kann man mit einer Quanten- Grinsekatze beides trennen und so moglicherweise die Beeintrachtigung des Experiments durch die Storung minimieren“, hofft Sponar.
Die Idee der Quanten-Grinsekatze hatten zunachst Jeff Tollaksen und Ykir Aharonov von der Chapman University entwickelt. Ein Vorschlag fur ein Experiment war im Vorjahr publiziert worden, die nun vorgestellten Messungen sind der erste experimentelle Nachweis dieses Phanomens.
ILL / TU Wien / OD
