Wissen : Mini-Feder verhält sich wie ein Atom Forscher verschieben die Grenzen der Quantenwelt

Roland KnauerD
Zwei Zustände. Die Feder kann sowohl angeregt als auch in Ruhe sein. Foto: Nature
Zwei Zustände. Die Feder kann sowohl angeregt als auch in Ruhe sein. Foto: Nature

Selbst ein erfahrener Quantenphysiker wie Markus Aspelmeyer von der Universität Wien kann sich die Quantenwelt kaum vorstellen, die er untersucht. Gibt es doch in dieser Welt des winzig Kleinen viele Dinge, die in unserer makroskopischen Welt schwer vorstellbar sind. Licht ist dort zum Beispiel nicht nur gleichzeitig eine Welle und ein Teilchen, sondern kommt auch nur in genau bestimmten Energieportionen vor. „Quanten“ nennen Physiker diese exakt definierten Pakete.

Andrew Cleland und seinem Team von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara gelang es nun, eine Eigenschaft der Quantenwelt an einem Objekt zu zeigen, das mit bloßem Auge sichtbar ist. Sie berichten darüber in der Onlineausgabe des Fachjournals „Nature“. Beinahe schwärmend hat Aspelmeyer diesen Fortschritt in der gleichen Zeitschrift kommentiert.

Normalerweise entstehen Quanten nur in Atomen oder ähnlich kleinen Teilchen, die als Einzelstück aber nur schwer handhabbar sind. Deshalb haben die US-Forscher einen winzigen elektronischen Schaltkreis gebastelt, der bei sehr tiefen Temperaturen arbeitet, bei denen der elektrische Widerstand praktisch verschwindet. „Dieser Schaltkreis verhält sich wie ein einzelnes Atom und produziert einzelne Energiepakete“, erklärt Aspelmeyer.

Ein solches Energiequant leiteten die Wissenschaftler auf ein winziges Plättchen aus einem Piezomaterial, das nur ein Tausendstelmillimeter dick ist (siehe Foto). Eine elektrische Spannung verschiebt in diesem Plättchen elektrische Ladungen ein wenig, die ihrerseits die einzelnen Atome bewegen und damit das Piezomaterial etwas dicker oder dünner machen. Mit einer elektrischen Spannung kann man dieses Plättchen daher sehr schnell schwingen lassen.

Im Experiment froren die Forscher das Piezoplättchen bei einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt von gut minus 273 Grad Celsius sozusagen in einem Zustand der niedrigsten Energie ein. Schaufelt der supraleitende Minischaltkreis ein elektrisches Energiequant zu dem gekühlten Plättchen, bewegt es die vielen Milliarden Atome. Das einzelne elektrische Quant wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Mehr noch, das Piezoplättchen gibt das Energiequant wie bei einem Pingpong-Spiel in der Quantenwelt wieder an den Schaltkreis zurück und der gesamte Vorgang wiederholt sich. Und das extrem schnell, sechs Milliarden Mal schwingt das Piezoteilchen in einer Sekunde.

Die Forscher zeigten, dass das Plättchen zwei Zustände zugleich einnehmen kann: Ruhe und Bewegung. Diese, normalerweise für wenige Atome typische Eigenschaft, wurde nun bei einem Gebilde mit etlichen Milliarden Teilchen nachgewiesen. „Cleland und sein Team haben ein neues, deutlich größeres Quantensystem geschaffen“, sagt Aspelmeyer. „Möglicherweise erlaubt es in Zukunft technische Anwendungen, in denen Quanten die ,große Welt’ steuern.“ Beispielsweise in Quantencomputern, die einmal heutige Modelle ablösen sollen, die mit klassischer Elektrophysik arbeiten. Roland Knauer

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