Die Wissenschaft hat einen bemerkenswerten Fortschritt in der Welt der Quantenmechanik erzielt. In einem bahnbrechenden Experiment hat ein Physiker-Team um Matteo Fadel von der ETH Zürich ein Stück Saphirkristall in einen sogenannten „Katzenzustand“ versetzt. Dieser Zustand ermöglicht es einem Objekt, gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen zu existieren. Diese Situation erinnert an das berühmte Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger aus den 1930er Jahren, in dem eine Katze gleichzeitig lebendig und tot sein kann.
Was ist ein „Katzenzustand“?
Der „Katzenzustand“ ist eine spezielle Form des quantenmechanischen Überlagerungszustands. Im Gegensatz zu klassischen physikalischen Zuständen, die nur entweder oder sind (zum Beispiel ein Ball, der sich entweder bewegt oder stillsteht), können Quantenobjekte in einem Überlagerungszustand gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen. Schrödingers berühmter Gedankenversuch beschreibt eine Katze in einer Kiste, die durch quantenmechanische Effekte gleichzeitig lebendig und tot ist, bis jemand die Kiste öffnet und den Zustand beobachtet.
Das Experiment
In der neuen Studie, die in der April-Ausgabe von Science veröffentlicht wurde, haben Forscher ein Stück Saphirkristall in diesen Überlagerungszustand versetzt. Dieser Quantenkater aus Saphir ist mit 16 Mikrogramm relativ schwer für den quantenmechanischen Bereich. Zum Vergleich: Dies ist fast die Hälfte der Masse eines Wimpernhaares und mehr als 100 Billionen Mal schwerer als die bisher in „Katzenzuständen“ erzeugten Moleküle.
Die Forscher unter der Leitung von Yiwen Chu von der ETH Zürich bewegten einen Teil des Saphirkristalls so, dass seine Atome gleichzeitig in zwei Richtungen schwingen konnten. Dies ist ein Zustand, der den Geist von Schrödingers Katze einfängt. Der betroffene Teil des Kristalls bestand aus 100 Millionen Milliarden Atomen. Wenn dieser Teil isoliert würde, wäre er mit bloßem Auge sichtbar.
Bedeutung und Herausforderungen
Dieses Experiment zeigt, dass quantenmechanische Prinzipien auf größere und massivere Objekte angewendet werden können als bisher angenommen. Dies ist ein wichtiger Schritt, um den Übergang zwischen der Quantenwelt und der klassischen Physik, die unsere alltägliche Erfahrung bestimmt, besser zu verstehen.
Die Schwingungen der Atome im Saphirkristall waren allerdings extrem klein, etwa eine Millionstel eines Milliardstels Millimeter. In zukünftigen Experimenten hoffen die Forscher, nicht nur die Masse, sondern auch die Größe dieser Schwingungen zu vergrößern. Dies wird eine große Herausforderung darstellen, aber auch spannende Einblicke in die Funktionsweise von Quantenmechanik bei größeren Systemen bieten.
Fazit
Die Erzeugung dieses massiven „Quantenkaters“ aus Saphirkristall markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenmechanik. Es zeigt, dass Quantenprinzipien auf größere, makroskopischere Systeme angewendet werden können, und wirft neue Fragen über die Grenze zwischen der Quanten- und der klassischen Welt auf. Dieses Experiment ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einem tieferen Verständnis der Natur und ihrer grundlegenden Prinzipien.
Durch solche Durchbrüche können wir uns einer Welt nähern, in der die Prinzipien der Quantenmechanik nicht nur in Labors, sondern auch in alltäglichen Technologien Anwendung finden könnten. Die Forschung in diesem Bereich steht noch am Anfang, aber die Möglichkeiten, die sich daraus ergeben, sind faszinierend und grenzenlos.
Quellenverweise
M. Bild et al. Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator. Science. Vol. 380, April 21, 2023, p. 274. doi: 10.1126/science.adf7553.
E. Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. Naturwissenschaften 23, 807–812 (1935).
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)