Quantenhüpfen auf dem Minisprungbrett

Das, was da auf der Mikroskopaufnahme zu sehen ist, erinnert an ein Einmeter-Sprungbrett im Schwimmbad: Das eine Ende an zwei Streben befestigt, das andere Ende schwebt frei in der Luft. Die Größenskala aber ist winzig.

"Das Ding ist 35 Mikrometer lang, also so fein wie ein menschliches Haar. Aber es ist nur ein Mikrometer dick, also wesentlich dünner als ein Haar."

Resonator, so heißt das Ding, das mit bloßem Auge gerade noch zu sehen ist. Entwickelt wurde es von Andrew Cleland und seinem Team an der University of California in Santa Barbara. Und ebenso wie das Sprungbrett im Schwimmbad kann auch der Resonator, stupst man ihn ein wenig an, auf und ab schwingen. Cleland hat ihn gebaut, um an den Grundlagen der Physik zu kratzen.

"Die Quantenphysik besagt, dass ein winziges Objekt im selben Augenblick zwei ganz unterschiedliche Zustände einnehmen kann. Es kann zum Beispiel an zwei Orten gleichzeitig sein oder kann sich wie Schrödingers Katze verhalten, das wohl berühmteste Paradoxon der Quantenphysik: Schrödingers Katze nämlich kann gleichzeitig tot und lebendig sein. Mit unserem winzigen Sprungbrett wollten wir ein ähnliches Experiment machen: Lässt es sich in einen Zustand bringen, in dem es ruht und gleichzeitig auf und ab federt?"

Im Hallenbad ist es der Springer, der das Brett in Schwingung versetzt. In Clelands Experiment übernimmt das ein spezieller elektronischer Schaltkreis - und zwar bei extremer Kälte.

"Wir mussten zwei Voraussetzungen schaffen: Zum einen mussten wir alle Wärmeschwingungen loswerden. Dazu haben wir das Sprungbrett in einen speziellen Kühlschrank eingesetzt, mit dem wir es bis auf ein Zehntel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt kühlen konnten. Zum anderen mussten wir das Sprungbrett extrem vorsichtig anstupsen, also ohne es allzu stark zu stören."

Um das zu schaffen, koppelten die Physiker das Mini-Sprungbrett mit einem Schaltkreis namens Quantenbit. Beides kühlten sie so weit herunter, bis das Sprungbrett praktisch stillstand. Cleland:

"Dann haben wir mit dem Quantenbit eine winzige Anregungswelle ins Sprungbrett geschickt. Das Ergebnis: Das Sprungbrett reagierte auf dieses Anstupsen so, als würde es gleichzeitig ruhen und auf und ab federn. So etwas ist nur in der Welt der Quanten möglich. Wir haben also für ein Objekt, das man mit bloßem Auge sehen kann, bewiesen, dass es den Regeln der Quantenphysik gehorcht!"

Und das ist deshalb bemerkenswert, weil die Forscher bis heute schlicht nicht wissen, wo die Grenze zwischen Quantenwelt und Alltagsphysik verläuft. Bis vor kurzem war lediglich klar, dass sich große Moleküle wie Quanten verhalten können. Mit seinem Experiment hat Andrew Cleland die Grenze um ein ordentliches Stück verschoben. Schließlich ist sein Minisprungbrett um einige Milliarden Mal größer und schwerer als die erwähnten Moleküle - und folgt dennoch den Gesetzen der Quantenwelt. Doch das Experiment ist nur ein Zwischenschritt. Am liebsten würden die Physiker Objekte in Quantenschwingungen versetzen, die noch einmal deutlich größer sind als das Sprungbrett. Dann nämlich ließe sich womöglich eine fundamentale Frage beantworten.

"Ist es letztlich die Schwerkraft, die die Grenze zwischen Quantenphysik und herkömmlicher Physik bestimmt? Wenn ja, würde ein Objekt, das schwer genug ist, allein durch seine Gravitation die Quantennatur zusammenbrechen lassen."

Um diese Hypothese zu überprüfen, müssten die Forscher mit Gebilden experimentieren, die 100mal schwerer sind als das Minisprungbrett. Eine Sache, die Cleland und seine Leute in den nächsten Jahren angehen wollen.