Die Welt der Quanten verstehen

Um Quantentechnologie zu verstehen, benötigt man zunächst Mathematik und Modelle. Beides nutzt Robin Santra mit seiner Theoriegruppe am Center for Free-Electron Laser Science bei DESY in Hamburg. Die Wissenschaftler wollen den Aufenthalt und das Verhalten von Teilchen wie Elektronen oder Photonen im Bereich eines Atoms oder Moleküls beschreiben.

In der klassischen Physik geht man davon aus, dass sich Teilchen immer in einem bestimmten Zustand befinden. Sie haben einen bestimmten Ort und eine bestimmte Geschwindigkeit. “Wir denken bei einem Beispiel gerne an ein einfaches Modell, etwa ein Wasserstoffatom, bei dem ein Elektron um einen Kern herum fliegt. Vergleichsweise wie ein Planet der um die Sonne kreist. Die klassische Physik würde sagen, dass sich das Elektron in einem bestimmten Zustand befindet“, sagt Robin Santra, Professor für Physik an der Universität Hamburg.

Diese Annahme ist jedoch mit den Erkenntnissen der Quantenphysik nicht vereinbar. In der Quantenmechanik hat ein als Quant bezeichnetes Teilchen unendlich viele Zustände und bewegt sich statt auf einer fest definierten Bahn, gleichzeitig  auf unterschiedlichen Pfaden. Ein Phänomen, das dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheint. Denn das bedeutet nichts anderes, als dass sich ein Teilchen an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann.

Das verdeutlichen sogenannte Doppelspalt-Experimente. Dabei wird ein Lichtteilchen (Photon) auf eine Wand mit zwei Spalten geschossen. Statt entweder hinter der rechten oder linken Spalte, taucht das Teilchen hinter beiden Spalten auf. Das geht nur, weil ein Teilchen zugleich Teilchen- als auch Welleneigenschaften hat. Ort und Geschwindigkeit können somit nie gleichzeitig exakt bestimmt werden. “Das hat dramatische Konsequenzen dafür, wie wir unsere Umgebung sehen. Und es ist ein Grund dafür, dass Materie verschiedene Materialien, verschiedene Farben hat“, sagt Robin Santra.

Mit Röntgenstrahlung lassen sich die Welleneigenschaften aufzeigen. Das wollen die Forscher in Hamburg mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser FLASH bei DESY und dem European XFEL schaffen. Mit Hilfe von extrem kurzen Röntgenpulsen und hochintensivem Licht entwickeln sie neue Verfahren, um die Bewegung von Elektronen zu beeinflussen. Sollte das gelingen, könnte das bahnbrechende Auswirkungen auf zukünftige Anwendungen haben.