Der "Molekulare Oktopus" als kleiner Bruder von "Schrödingers Katze"

Künstlerische Darstellung der komplexesten und massivsten Moleküle (PFNS-10, TPP-152) mit denen Quanteninterferenz nachgewiesen werden konnte (Illustration: Mathias Tomandl)

Rekord bei Quantenphysik maßgeschneiderter organischer Makromoleküle - Ein neuer Rekord im Nachweis quantenphysikalischer Eigenschaften von Nanopartikeln gelang QuantennanophysikerInnen der Universität Wien in Kooperation mit ChemikerInnen aus der Schweiz und den USA: Erstmals wurde das Quantenverhalten von Molekülen aus mehr als 400 Atomen nachgewiesen. Dabei stellen die WissenschafterInnen mit dem "Molekularen Oktopus" – angelehnt an die Gestalt der verwendeten Moleküle – einen wichtigen Aspekt des Gedankenexperiments "Schrödingers Katze" nach. Die Forschungsergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications präsentiert.

Die Quantenmechanik stellt seit Beginn des 20. Jahrhunderts eine der tragenden Säulen der modernen Physik dar. Einige ihrer Voraussagen stehen aber in eklatantem Widerspruch zu unserer Intuition und den Beobachtungen in unserer Alltagswelt. Dieser Widerspruch wurde vom österreichischen Physiker Erwin Schrödinger vor 80 Jahren auf den Punkt gebracht: Er fragte sich, ob es möglich sei, auch extreme Überlagerungszustände zu realisieren – zum Beispiel den einer Katze, die zugleich tot und lebendig sei. Aus gutem Grund wurde dieses Experiment nie tatsächlich erprobt. Ein Forschungsteam um Markus Arndt, Professor für Quantennanophysik an der Universität Wien, zeigt nun, dass es möglich ist, mit großen organischen Molekülen wichtige Aspekte von Schrödingers Gedankenexperiment nachzustellen.

Superposition bei immer größeren Objekten

In der Quantenphysik wird die Ausbreitung einzelner massiver Teilchen durch Materiewellen beschrieben. Somit verlieren die Teilchen in der Praxis in gewissem Sinn ihre klassische Eigenschaft, einen Ort zu haben; ihre quantenphysikalische Wellenfunktion kann gleichzeitig an mehreren Orten sein. "Dieser Zustand ähnelt formal demjenigen einer Katze, die zugleich lebt und tot ist. Die Quantenphysik bezeichnet dies als 'Superposition'", sagt Markus Arndt.

Sein Forschungsteam an der Universität Wien beschäftigt sich mit der Frage, bis zu welcher Komplexität man diese erstaunlichen Gesetze der Quantenphysik nachweisen kann. Dazu untersuchen die PhysikerInnen in einem Interferometer das Quantenverhalten immer größerer Moleküle, insbesondere deren Überlagerung an vielen Orten. "Die hohe Instabilität der meisten organischen Komplexe stellt dabei eine große Herausforderung dar", so Stefan Gerlich, Erstautor der Publikation.

Designermoleküle lösen das Problem der Instabilität

Viele Moleküle zerbrechen schon während der Präparation des thermischen Molekularstrahls. Für den Erfolg der neuen Versuche war daher eine enge Kooperation mit Chemikern aus der Schweiz und den USA ausschlaggebend. Sowohl dem Team um Marcel Mayor an der Universität Basel als auch Paul J. Fagan vom US-amerikanischen Konzern DuPont ist es gelungen, schwere Molekülverbindungen zu synthetisieren, die den kritischen Verdampfungsprozess überstehen.

Mit Insulin vergleichbar

"Anhand von speziell synthetisierten organischen Molekülen mit Komplexen aus bis zu 430 Atomen wurde die quantenmechanische Wellennatur in einem bislang experimentell unzugänglichen Massen- und Größenbereich nachgewiesen", erklärt Arndt. Dieser "Molekulare Oktopus" ist in Größe, Masse und Komplexität mit Insulin vergleichbar und verhält sich in vieler Hinsicht schon wie "klassische" Teilchen. Dennoch können die maßgeschneiderten Teilchen im jetzigen Experiment in einer Überlagerung von klar unterscheidbaren Orten existieren. Sie befinden sich daher – ähnlich wie Schrödingers Katze – in einem von der klassischen Physik ausgeschlossenen Zustand.

Quelle: Universität Wien