Erstmals bewegen Quantenkräfte ein zentimetergroßes Objekt
Quantenphänomene haben ein Gewichtsproblem: Je massereicher ein Objekt ist, desto schwieriger lassen sich ihre Spuren nachweisen. Doch nun haben Forschende in Japan erstmals nachgewiesen, dass ein Quanteneffekt ein 128 Milligramm schweres Objekt bewegen kann. Nach Angaben des Teams vom Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) handelt es sich um den bislang größten Körper, der direkt durch die Kraft von Elektronenspins in Schwingungen versetzt wurde, einen quantenmechanischen Eigendrehimpuls der Teilchen. Die Arbeit, die im Fachmagazin »Science Advances« erschienen ist, könnte langfristig dabei helfen, die Grenze zwischen Quantenphysik und Einsteins Gravitationstheorie zu erforschen.
Bis heute zeigen sich die seltsamen Effekte der Quantenphysik fast ausschließlich in winzigen Teilchen wie Atomen oder Elektronen. Dazu gehört etwa die Überlagerung von Zuständen, wodurch sich Teilchen gewissermaßen gleichzeitig an mehreren Orten befinden können. Die Gravitation spielt in diesem mikroskopischen Maßstab praktisch keine Rolle. Bei größeren Objekten hingegen dominiert die Gravitation das Geschehen, während typische Quanteneffekte bisher nur mit sehr viel Aufwand beobachtet werden können. Das Problem: Große, schwere Objekte wechselwirken viel stärker mit ihrer Umgebung. Schon kleinste Störungen durch Wärme, Luftmoleküle oder Vibrationen können die empfindlichen Quantenzustände zerstören, bevor sie sich messen lassen.
»Es gab bereits viele Versuche, zu testen, ob die Quantenmechanik auch auf Objekte anwendbar ist, die größer als einige Dutzend Nanometer sind – bislang jedoch ohne Erfolg«, sagt Jason Twamley, Leiter der Quantum Machines Unit am OIST. »Nun haben wir erstmals eine klassische mechanische Reaktion auf eine Quantenkraft bei einem Objekt beobachtet, das acht bis neun Größenordnungen massereicher ist als die bislang in Spin-Mechanik-Experimenten verwendeten Systeme.«
Auslenkung um 100 Nanometer
Kern des Experiments war ein schwebender Diamant, der Milliarden sogenannter Stickstoff-Fehlstellen enthält. Dabei ersetzt ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom im Kristallgitter, während direkt daneben ein Platz leer bleibt. Die ungepaarten Elektronen in diesen Defekten verhalten sich wie winzige Magnete, deren Quantenzustände sich mit Licht und Magnetfeldern steuern lassen. Werden die Spins dieser Fehlstellen periodisch mit einem grünen Laser in einen definierten überlagerten Zustand versetzt, erzeugen sie eine sehr schwache Kraft. Über die enorme Zahl der Fehlstellen addieren sich die vielen kleinen Beiträge zu einer messbaren Wirkung.
Um die Bewegung im Nanometerbereich messen zu können, war der Diamant über einen Kohlenstoffstab mit einer Grafitplatte verbunden. Das System schwebte über starken Magneten. Auf der Grafitplatte befand sich ein Spiegel, dessen Lageänderung sich mithilfe eines Lasers extrem präzise verfolgen ließ. So konnten die Forschenden nachweisen, dass die durch die Elektronenspins erzeugte Quantenkraft den Diamanten tatsächlich in Schwingungen versetzte.
Auf den ersten Blick wirkt eine Auslenkung um 100 Nanometer winzig. Für die Quantenphysik ist das Experiment dennoch bemerkenswert. Seit Jahrzehnten versuchen Forschende, Quanteneffekte in immer größeren und massereicheren Systemen nachzuweisen. Der Grund: Viele fundamentale Fragen der Physik liegen genau an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Relativitätstheorie. So ist bislang beispielsweise ungeklärt, ob die Schwerkraft selbst quantenmechanischer Natur ist oder sich grundsätzlich anders verhält als die übrigen Naturkräfte.
Von einer echten Überlagerung makroskopischer Objekte ist das Experiment zwar noch weit entfernt. Dennoch zeigt es, dass sich Quanteneffekte offenbar auch in vergleichsweise massereichen Systemen nachweisen lassen. Ähnliche Aufbauten könnten auf lange Sicht neue Tests der Quantengravitation ermöglichen und den Weg für hochempfindliche Sensoren ebnen, um Gravitationswellen, Dunkle Materie oder andere bislang unbekannte physikalische Effekte zu untersuchen.