Physik : Intendant der Quanten

Der Wiener Forscher Jörg Schmiedmayer will die Grenze zwischen dem Mikrokosmos und der Welt der „klassischen“ Physik finden.

Robert Gast
Jörg Schmiedmayer will herausfinden, was am Übergang vom Quantenkosmos zur Welt der "klassischen" Physik geschieht.
Jörg Schmiedmayer will herausfinden, was am Übergang vom Quantenkosmos zur Welt der "klassischen" Physik geschieht.Foto: TU Wien

Wenn sich der Vorhang öffnet, spürt er die Spannung, jedes Mal aufs Neue. Gelingt die Aufführung oder gelingt sie nicht? Das wisse man vorher nie, sagt Jörg Schmiedmayer. Weder bei den Wiener Philharmonikern noch bei einem Stück seiner Lieblingsautorin Elfriede Jelinek. Aber doch zieht es ihn, den Physiker, regelmäßig auf die Zuschauerränge. „Ich lasse mich gerne überraschen“, sagt er.

Tagsüber schlüpft Schmiedmayer selbst in die Rolle des Intendanten, in seinem Labor in der Wiener Stadionallee. Die Bühne des Atominstituts der Technischen Universität ist drei Zentimeter breit, getragen wird sie von dünnen Kupferstäbchen. Auf diesem „Atomchip“ lässt Schmiedmayer eiskalte Atome tanzen. Das sei so ähnlich, wie wenn man ein Musikstück komponiert, sagt der gebürtige Wiener: „Wir versuchen, wirklich Neuland zu begehen.“

Dafür hat der Quantenphysiker kürzlich einen „ERC Advanced Grant“ vom Europäischen Forschungsrat erhalten. Jörg Schmiedmayers Gruppe wird fünf Jahre lang gefördert. Für den 52-Jährigen ist es ein wenig wie damals, als er sich 1990 nach der Habilitation an der TU Wien am Massachusetts Institute for Technology (MIT) bewarb. Als Erstes fragte ihn der Professor: „Was für ein Experiment würden Sie mit einer Million Dollar verwirklichen?“ Schmiedmayer schlug vor, ein einzelnes Atom in einem Interferometer zu beobachten. Er bekam den Job, nach drei Jahren war sein Experiment erfolgreich.

Allerhand Requisiten. Um extrem kalte Atomwolken herzustellen, ist ein komplizierter Aufbau optischer Apparate nötig.
Allerhand Requisiten. Um extrem kalte Atomwolken herzustellen, ist ein komplizierter Aufbau optischer Apparate nötig.Foto: TU Wien

Nun kann er mit zwei Millionen Euro eine ganze Wolke aus Atomen studieren. Schmiedmayer lässt sie dafür dicht über seinem Atomchip schweben. Erfunden hat er ihn im Jahr 2000, seitdem nennt ihn mancher „Mr. Atomchip“. In den Drähten auf der Oberfläche der Apparatur fließen Ströme, die speziell geformte Magnetfelder entstehen lassen. Sie bilden einen unsichtbaren Käfig, der die winzige Wolke festhält. Die Rubidiumatome darin bilden ein „Bose-Einstein-Kondensat“. Das System eignet sich wie kaum ein anderes, um die bizarren Regeln des Mikrokosmos zu studieren.

Die Versuche der Forscher finden auf dem winzigen Atomchip statt. Dort werden die Atome von Magnetfeldern wie in einem unsichtbaren Käfig zusammengehalten.
Die Versuche der Forscher finden auf dem winzigen Atomchip statt. Dort werden die Atome von Magnetfeldern wie in einem...Foto: TU Wien

Das berühmteste Gesetz der Quantenwelt veranschaulicht das Gedankenexperiment von Erwin Schrödingers Katze. Wegen eines teuflischen Mechanismus war das arme Tier zur selben Zeit tot und lebendig. Genauso können speziell präparierte Atome oder Lichtteilchen in einem „Überlagerungszustand“ aus mehreren Energieniveaus existieren. Derartige Quanteneigenschaften sind uns fremd, weil Objekte ab einer gewissen Größe plötzlich den „klassischen“ Naturgesetzen gehorchen, denen zufolge sich jedes Objekt für einen von mehreren möglichen Zuständen entscheiden muss. Aber wo verläuft diese Grenze?

„Irgendwie geht unsere Welt aus der Quantenwelt hervor“, sagt Schmiedmayer. Wie genau, das will er mit aufklären. Über die Faszination für den Sternenhimmel ist er zur Physik gekommen. Nach dem Diplom an der TU Wien ging der Wissenschaftler ans Kernforschungszentrum Cern in Genf. „Aber die großen Gruppen haben mich nach einiger Zeit abgeschreckt“, sagt er. Heute arbeiten etwa 30 Forscher in seinem Team. Mit dem ERC-Grant wollen sie sich nun einem Phänomen widmen, über das Physiker bisher nur wenig wissen. „Wir wollen herausfinden, ob man das Nicht-Gleichgewicht allgemein beschreiben kann.“

Nun wirkt Schmiedmayer nicht wie jemand, der Probleme mit der rechten Balance in seinem Leben hat. Seine Urlaube verbringt er abseits der Zivilisation auf Wanderungen in Tibet oder Chile, begleitet von seiner chinesischen Frau. Bis vor ein paar Jahren hat er in klaren Nächten ein selbst gebautes Teleskop auf den Sternenhimmel gerichtet. Tagsüber ging er dann in den Alpen Gleitschirm fliegen.

Über das Nicht-Gleichgewicht hofft Schmiedmayer, die Brücke zwischen Mikro- und Makrokosmos zu finden. Dazu führt er ein besonderes Stück in der Wiener Stadionallee auf: Die Forscher trennen ihr Bose-Einstein-Kondensat in zwei Teile, zwischen denen nach wie vor eine quantenmechanische Verbindung besteht. „Die beiden Hälften erinnern sich, dass sie aus demselben Bose-Einstein-Kondensat entstanden sind“, erläutert Schmiedmayer. Dabei ist das System in einem speziellen Zustand (die Forscher nennen ihn „Quantenkohärenz“) – und nicht im thermischen Gleichgewicht. Nach einiger Zeit zerfällt der Zustand, die quantenmechanische Verbindung löst sich auf. „Auf diese Weise kann man den Grenzübergang aus der Quantenwelt in die klassische Welt beobachten“, sagt Schmiedmayer.

Aber dann stießen die Wiener im Jahr 2010 auf eine Überraschung. Sie hatten ihr Bose-Einstein-Kondensat auf dem Atomchip in zwei Wolken getrennt und diese anschließend miteinander reagieren lassen. „Wider Erwarten war die Temperatur des Endzustands viel kleiner als die des Anfangszustands“, sagt der Physiker. Die einzige Erklärung: Das System war noch gar nicht im Gleichgewicht, sondern nur in einem Übergangszustand.

Nun hoffen die Forscher, mit weiteren Experimenten auf ihren Atomchips eine universelle Beschreibung von Nicht-Gleichgewichtszuständen zu entwickeln. Als Vorbild dient ihnen ein Erfolg aus den 1960er und 70er Jahren. Damals gelang es Physikern, eine einheitliche Theorie für Phasenübergänge in Festkörpern zu formulieren. Sie kann beispielsweise elegant erklären, wieso ein Eisenbarren selbst zum Magneten wird, wenn man ihn einem Magnetfeld aussetzt. Der mathematische Formalismus findet aber auch in der Kosmologie Anwendung. Etwa um zu zeigen, wie sich kurz nach dem Urknall die sogenannte elektroschwache Grundkraft in den Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft aufspaltete.

Ob auch das Nicht-Gleichgewicht solch eine große Rolle beim Verständnis des Kosmos haben wird, weiß noch niemand. So ist das, wenn man Neuland betritt. Mal gelingt die Aufführung, mal gelingt sie nicht. Die Hauptsache sei, neugierig und unvoreingenommen zu bleiben, sagt Schmiedmayer: „Man muss hören, was die Natur wirklich sagt.“

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