Gesundheit : Welle oder Teilchen

Auch Elektronen in Molekülen zeigen Doppelnatur

Paul Janositz

Die Welt ist dual aufgebaut. Materie und Licht besitzen gleichzeitig Eigenschaften von Welle und Teilchen. Doch das Phänomen der Dualität birgt noch Geheimnisse. Etwa, ob es möglich sein könnte, in einem einzigen Experiment Wellen- und Teilchencharakter, etwa von Elektronen, gleichzeitig nachzuweisen, und quasi per Knopfdruck zwischen beiden Zuständen hin- und herzuschalten. Mit dieser Frage beschäftigen sich Forscher vom Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin. Über ihre Ergebnisse berichten sie am Donnerstag im Fachmagazin „Nature“ (Band 437, Seite 711).

Zusammen mit Forschern des kalifornischen Instituts für Technologie in Pasadena hat das Team um Uwe Becker und dem Doktoranden Daniel Rolles mit Elektronen von Stickstoffmolekülen eine Art Doppelspaltexperiment (siehe Grafik) im Mikromaßstab durchgeführt.

Mit solchen Versuchen, bei denen Teilchen durch zwei Spaltöffnungen fliegen, lässt sich der Welle-Teilchen-Dualismus demonstrieren. Das entstehende wellenartige Muster lässt nicht erkennen, durch welchen Spalt das Elektron geflogen ist. Sobald man aber eine Öffnung schließt oder beobachtet, durch welchen Spalt das Elektron fliegt, verhält sich dieses so, als sei es bei einer festgelegten Zeit nur an einem bestimmten Ort.

Auch bei den Versuchen am Fritz-Haber-Institut präsentierten sich die Elektronen – wie erwartet – als Welle oder Teilchen. Doch es gab auch eine Besonderheit. Bei bestimmten Versuchsanordnungen ließen sich die Elektronen von einer Form in die andere überführen. Sogar Zwischenzustände waren möglich. „Das konnte erstmals für Elektronen an Molekülen gezeigt werden“, sagt Becker. Bei Atomen, also nicht elementaren Teilchen sei das „Koexistenzprinzip“ schon 1997 nachgewiesen worden.

Die Berliner Forscher arbeiteten zunächst mit Stickstoffmolekülen, die aus zwei identischen Atomen aufgebaut waren, an denen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für jedes Elektron gleich groß ist. „Diese Moleküle bilden einen mikroskopisch kleinen Doppelspalt“, erklärt Becker. Die Moleküle wurden in Synchrotronstrahlungslaboren – Bessy in Berlin und Hasylab am Desy in Hamburg – mit Röntgenstrahlen bombardiert. Unter Beschuss kamen die Elektronen, die dem Atomkern am nächsten sind. Sie lösten sich aus ihrer Bahn und flogen durch die Atome, die die Spaltöffnungen darstellten. Es ergab sich ein wellenartiges Interferenzmuster – wie bei Einzelelektronen, die durch einen Doppelspalt fliegen.

Doch das FHI–Team wollte auch nachweisen, dass bei nicht symmetrisch aufgebauten Elektronen das klassische Muster der Ununterscheidbarkeit gestört ist. „Das wurde lange bezweifelt“, sagt Becker. Denn gemessen an atomaren Dimensionen ist die Elektronenhülle weit entfernt vom Atomkern. „Wäre der Kern so groß wie die Erde, dann wären die Elektronen so weit entfernt wie die Sonne“, sagt Becker. Warum sollten sich also – bei diesen Dimensionen – kleine Änderungen in der Molekülzusammensetzung auf die Elektronen auswirken?

Der Test erfolgte an Molekülen, die aus zwei verschiedenen Arten von Stickstoffatomen aufgebaut waren. Die Isotope unterschieden sich geringfügig. Einmal befanden sich 14, das andere Mal 15 Neutronen im Atomkern. Die Experimente zeigten, dass für etwa zehn Prozent der freigesetzten Elektronen die Atome unterscheidbar sind, sie fliegen quasi durch unterschiedliche Spaltöffnungen und häufen sich jeweils dort an.

„Ein unerwartetes Ergebnis, das zeigt, dass die Natur einen stärker ambivalenten Charakter hat, als lange Zeit angenommen“, kommentiert Becker. Die Erkenntnisse könnten für die Entwicklung von Quantencomputern wichtig sein. Dabei könne man Zustände gebrauchen, die „sowohl als auch“ bedeuten und am Ende doch wieder zu eindeutigen Zuständen zurückkehrten.

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