Riesenteilchen: Das Quantenmännlein von Wien

Es sieht aus wie ein kleiner Mann und kann durch Gitterwände wandeln. So beschreiben begeisterte Physiker in Wien ihre neueste Entdeckung. Von Frank Grotelüschen

Brüssel hat sein "Manneken Pis" - eine nicht unähnliche Galionsfigur könnte nun auch Österreichs Hauptstadt bekommen - das "Quantenmännchen von Wien". So nennt ein Physikerteam ein Molekül, dessen Form mit etwas Fantasie Ähnlichkeit mit einem Mann besitzt. Dieses molekulare Männlein ist eine enge Verbindung mit der Quantenphysik eingegangen. Denn in der Apparatur der Forscher verhielt sich das Teilchen kurzzeitig wie eine Welle - ein Zeichen dafür, dass es den Regeln der Quantentheorie gehorcht. Das Quantenmännlein von Wien ist das bislang schwerste Partikelchen, das sich wie eine Welle gebärdet.

Seit Jahren stellen sich das Team um Markus Arndt, Professor für Quantennanophysik an der Uni Wien, eine grundlegende Frage: Wie groß kann ein Gebilde maximal sein, um ein eigenartiges Phänomen aus der Quantenwelt zu zeigen - den Welle-Teilchen-Dualismus? Bei diesem Effekt kann das Quant mal als Teilchen, dann wieder als Welle agieren - gewissermaßen ein Zwitter aus Materie und Strahlung.

Welt im Kleinen

Die Quantentheorie, begründet anno 1900 von Max Planck, beschreibt den Kosmos der Atome und Moleküle. Doch viele ihrer Merkmale scheinen sich der Anschauung regelrecht zu widersetzen.

Der Welle-Teilchen-Dualismus ist eines dieser rätselhaften Phänomene: Ein Atom tritt gewöhnlich als handfestes Teilchen auf. Im nächsten Moment kann es sich wie eine Welle verhalten. Wie Wellen auf einer Wasseroberfläche können die Atome einander verstärken oder auslöschen. Unklar ist bis heute, inwieweit auch große Gebilde wie Viren, Bakterien oder gar Menschen dem Welle-Teilchen-Dualismus unterliegen.

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass sich der seltsame Dualismus bei extrem winzigen Objekten zeigt - bei Elektronen, Atomen und Lichtquanten (Photonen). Die Gesetze der Quantenphysik aber legen nahe, dass auch weit schwerere Gebilde dem Welle-Teilchen-Dualismus anheim fallen müssten.

Um die Grenze nach oben auszuloten, haben die Wiener Wissenschaftler ein ausgefeiltes Experiment aufgebaut. In dessen Zentrum steht ein langes, luftleer gepumptes Metallrohr, durch das die Quantenteilchen ungestört fliegen, bis sie auf ein Hindernis treffen - ein Gitter mit winzigen, nanometerkleinen Lücken.

Für die Quanten wirkt dieses Gitter wie eine Wand mit mehreren Türen. Als Teilchen können die Quanten nur durch eine der vielen Türen fliegen - ebenso wie ein Mensch stets nur durch eine Tür gleichzeitig spazieren kann.

Anders ist es, wenn sie in die Gestalt einer Welle schlüpfen. "Dann können sich die Quanten so benehmen, als ob sie durch zwei Türen gleichzeitig gehen", so Arndt auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Hannover.

Mit ihrem "Quanteninterferometer" können die Physiker präzise erkennen, ob das Quant als Welle durch zwei Türen gleichzeitig geschlüpft ist oder nicht. Das verrät ein "Interferenzmuster", ein Licht-Schatten-Muster hinter dem Gitter. Im Laufe der Jahre gelang es den Forschern, immer größere und schwerere Teilchen durch ihren Apparat zu schleusen und zu beweisen, dass diese sich wie Wellen verhalten können und damit den Regeln der Quantenphysik gehorchen.

Nun präsentieren die Forscher einen Clou: das bislang schwerste Molekül, das seine Quantennatur offenbarte. Unter dem Spezialmikroskop zeigt es eine ungewöhnliche Gestalt: Es sieht aus wie ein Männchen mit je zwei Armen und Beinen sowie Hals und Kopf. "Am Unterleib ist eine weitere kleine Ausbuchtung zu erkennen", schmunzelt Arndt. "Deshalb sprechen wir von einem Mann."

Doch in Zukunft wollen die Physiker keine Quantenmänner mehr durch die Röhre schicken, sondern winzige Nano-Kügelchen aus Metall - wegen ihrer hohen Dichte bis zu zehntausend Mal schwerer als das Quantenmännlein. Innerhalb der nächsten zwei Jahre könnten Ergebnisse vorliegen. Sollte sich dabei zeigen, dass der Welle-Teilchen-Dualismus bei den schweren Metallkügelchen unerwartet gar nicht mehr auftritt, müsste womöglich die wichtigste Formel der Quantenphysik umgeschrieben werden - die Schrödinger-Gleichung.