Metallklumpen im Quantenzustand: Forschungsteam bricht Rekorde

In einer aktuellen Studie gehen Forschende der Universität Wien und der Universität Duisburg-Essen einer faszinierenden Frage nach: Können selbst kompakte Metallklumpen in einen Quantenzustand versetzt werden, der sich über räumlich entfernte Orte erstreckt? Das Forschungsteam liefert nun einen experimentellen Beweis und bejaht diese Hypothese. Sie zeigten, dass massive Nanopartikel, die aus Tausenden von Natriumatomen bestehen, tatsächlich den Gesetzen der Quantenmechanik folgen. Das durchgeführte Experiment gilt damit als einer der derzeit präzisesten Tests der Quantentheorie auf makroskopischer Skala. Es verschiebt die Grenzen dessen, was wir bisher über den Übergang zwischen der Mikro- und der Makrowelt wussten.

Materie als Welle

In der Quantenmechanik verliert die gewohnte Trennung zwischen Materie und Strahlung ihre Gültigkeit. Materie kann sich, genau wie Licht, sowohl als Teilchen als auch als Welle verhalten. Während dieses Phänomen für Elektronen, Atome und kleine Moleküle bereits vielfach durch Doppelspalt- oder Interferenzexperimente belegt wurde, entzieht es sich im Alltag unserer Wahrnehmung. Objekte wie Murmeln oder Staubkörner besitzen stets einen fest definierten Ort und folgen den berechenbaren Bahnen der klassischen Physik.

Einem Forschungsteam der Universität Wien um Markus Arndt und Stefan Gerlich ist es nun jedoch gelungen, die Wellennatur der Materie in einer völlig neuen Größenordnung nachzuweisen. Sie zeigten erstmals, dass auch massive metallische Nanopartikel Quanteninterferenz aufweisen. Die Dimensionen dieser Cluster sind beeindruckend. Sie erreichen mit einem Durchmesser von etwa 8 Nanometern die Skala moderner Transistorstrukturen.

Mit einer Masse von über 170.000 atomaren Masseneinheiten sind diese Teilchen zudem schwerer als die meisten Proteine. Dass ein Objekt dieser Statur noch immer quantenmechanische Welleneigenschaften zeigt, markiert einen wissenschaftlichen Meilenstein.
„Intuitiv würde man erwarten, dass sich ein so großer Metallklumpen wie ein klassisches Teilchen verhält“, sagt Sebastian Pedalino. „Dass er trotzdem noch interferiert, zeigt, dass die Quantenmechanik auch auf dieser Größenskala gültig ist und keiner alternativen Modelle bedarf.“

Ein „Schrödinger-Metallklumpen“

Um den Quanteneffekt nachzuweisen, erzeugten die Forschenden extrem kalte Natrium-Cluster, die aus etwa 5.000 bis 10.000 Atomen bestehen. Diese Cluster wurden durch eine Anordnung von drei Beugungsgittern geleitet, die mittels ultravioletter Laserstrahlen generiert wurden. Bereits im ersten Laserstrahl wurde der Ort jedes Clusters auf rund 10 Nanometer genau festgelegt – ein Wert, der einer Periode von nur einem Zehntausendstel Millimeter entspricht. Dadurch wird das Teilchen in eine Überlagerung verschiedener Pfade versetzt, die es theoretisch gleichzeitig durch die Apparatur nehmen kann.

Am Ende der Versuchsanordnung überlagern sich diese Möglichkeiten, wodurch ein messbares Streifenmuster aus Metall entsteht. Dieses Ergebnis steht in präziser Übereinstimmung mit der Quantentheorie und belegt, dass der Ort der Teilchen während des unbeobachteten Flugs nicht fest definiert war.

Bemerkenswert ist dabei, dass diese räumliche Unschärfe – die sogenannte Delokalisierung – die tatsächliche Größe des einzelnen Teilchens um das Dutzendfache übersteigt. In der Fachwelt werden solche Zustände oft als „Schrödinger-Katzenzustände“ bezeichnet. Sie lehnen sich an das berühmte Gedankenexperiment des österreichischen Nobelpreisträgers Erwin Schrödinger an. Er hinterfragte, ob eine Katze gleichzeitig tot und lebendig sein könne. Die Analogie im aktuellen Experiment lautet: „jeder Metallbrocken ist hier und nicht hier“.

Neue Größenordnung im Labor der Uni Wien erreicht

Die theoretische Grundlage für diesen Erfolg wurde über zwei Jahrzehnte hinweg maßgeblich durch die Arbeiten von Klaus Hornberger zur Nahfeldinterferometrie gelegt. Gemeinsam mit Stefan Nimmrichter entwickelte er die sogenannte Makroskopizität (μ) als objektive Maßzahl. Diese ermöglicht es, völlig unterschiedliche Quantenexperimente – von Nanooszillatoren und Atominterferometern bis hin zu nanoakustischen Resonatoren – direkt miteinander zu vergleichen. Die Makroskopizität misst dabei, wie präzise ein Experiment selbst minimalste Abweichungen von der Quantentheorie ausschließen kann.

Im aktuellen Experiment erreichten die Physiker einen Wert von μ=15,5. Damit liegt das Wiener Ergebnis um rund eine Größenordnung höher als alle bisherigen Experimente weltweit. Um die Dimension dieses Fortschritts zu verdeutlichen, hilft ein Vergleich: Wollte man einen ähnlich strengen Test allein mit Elektronen durchführen, müsste deren Quantenüberlagerung über einen Zeitraum von rund 100 Millionen Jahren stabil gehalten werden. Den massiven Nanoteilchen im Labor gelang dieser fundamentale Nachweis hingegen in nur etwa einer hundertstel Sekunde.

Ausblick und Anwendungen

Das primäre Ziel dieses Experiments besteht darin, die fundamentale Kluft zwischen der „seltsamen“ Quantenwelt und unserer vertrauten, „normalen“ Alltagserfahrung besser zu verstehen. Um diesen Übergang weiter zu erforschen, planen die Wissenschaftler, künftig noch massivere Objekte sowie unterschiedliche Materialklassen zu untersuchen. Diese versprechen noch strengere Tests der physikalischen Grundprinzipien. Dank einer verbesserten Infrastruktur und einer neu entwickelten Apparatur soll der aktuelle Weltrekord in den kommenden Jahren sogar um mehrere Größenordnungen übertroffen werden.

Über die Grundlagenforschung hinaus bietet das Wiener Interferometer bereits heute ein enormes technologisches Potenzial als hochempfindlicher Kraftsensor. Die Apparatur kann aktuell Kräfte im Bereich von 10^-26 N erfassen – eine Präzision, die in Zukunft noch deutlich gesteigert werden soll.

Dies eröffnet völlig neue Perspektiven für die Materialforschung: Elektrische, magnetische oder optische Eigenschaften lassen sich so an isolierten Nanopartikeln mit höchster Genauigkeit vermessen. Damit stellt die Methode eine vielversprechende Ergänzung zu den etablierten Verfahren der Nanotechnologie dar.

Quelle

Universität Wien (01/2026)