Wissenschaftler der Universität Bonn haben jetzt gezeigt, wie ein
einzelnes Atom in zwei Hälften geteilt, auseinandergezogen und
wieder zusammengesetzt werden kann. „Atom“ bedeutet
wörtlich zwar „unteilbar“, aber nach den Gesetzen der
Quantenmechanik ist es möglich, es ähnlich Lichtstrahlen
kontrolliert aufzuteilen und wieder zu vereinen. Damit wollen die
Forscher quantenmechanische Brücken bauen, indem sie das Atom beim
Auseinanderziehen benachbarte Atome berühren lassen – das
Atom wirkt dann wie ein Brückenbogen zwischen zwei Pfeilern.
Atome teilen?  |
Wissenschaftler der Universität Bonn beim "Teilen" des Unteilbaren.
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Was nach Kernspaltung und Radioaktivität klingt, ist vielmehr
quantenmechanische Präzisionsarbeit. Die Gesetze der
Quantenmechanik erlauben es Objekten, in mehreren Zuständen
gleichzeitig zu sein. Dies ist die Grundlage des so genannten
Doppelspaltversuchs, bei dem ein Teilchen durch zwei Spalte zugleich
gehen kann. Die Bonner Forscher um Prof. Dr. Dieter Meschede vom
Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn haben es
geschafft, ein einzelnes Atom an zwei Orten gleichzeitig zu halten, die
über zehn Mikrometer – das entspricht einem Hundertstel
Millimeter – voneinander entfernt sind. Für ein Atom
ist das eine enorme Distanz. Danach konnte das Atom unbeschädigt
wieder zusammengeführt werden.
Das Atom hat eine gespaltene Persönlichkeit
Die fragilen Quanteneffekte können nur bei niedrigsten
Temperaturen und sorgsamer Handhabung auftreten. Eine Methode ist,
Cäsiumatome mit Lasern enorm stark zu kühlen – bis auf
zehn Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt – und
dann mit einem anderen Laser festzuhalten. Dieser Laserstrahl ist der
Schlüssel für die Teilung des Atoms: Das Kunststück
gelingt, weil Atome einen Spin besitzen, der zwei unterschiedliche
Ausrichtungen haben kann. Je nach Ausrichtung lässt sich das Atom
vom Laser wie mit einem Förderband nach links oder rechts fahren.
Der Kniff liegt darin, dass der Spin des Atoms in beiden Ausrichtungen
gleichzeitig sein kann. Wird das Atom gleichzeitig nach links und
rechts gefahren, kommt es zur Teilung. „Das Atom hat sozusagen
eine gespaltene Persönlichkeit – es ist halb links und halb
rechts und doch immer ein ganzes“, sagt Andreas Steffen, der
Erstautor der Veröffentlichung.
Die Teile vergleichen ihre „Erlebnisse“ Direkt sehen kann man die Teilung aber nicht: Leuchtet man das Atom an,
um etwa ein Foto zu machen, zerbricht die Teilung sofort. Man sieht
dann das Atom in mehreren Bildern mal links, mal rechts – nie an
beiden Orten. Der Nachweis der Teilung gelingt dennoch, indem man das
Atom wieder zusammenfügt. Auf diese Weise kann man aus einzelnen
Atomen ein Interferometer bauen, dass etwa zum präzisen Messen von
äußeren Einflüssen dient. Die Atome werden dabei
geteilt, auseinander bewegt und wieder zusammenfügt. Die
„Erlebnisse“ der beiden Hälften werden dann
verglichen. Zum Beispiel werden Unterschiede der Magnetfelder zwischen
den zwei Positionen oder Beschleunigungen sichtbar, da sie sich in den
quantenmechanischen Zustand des Atoms einprägen. Dieses Prinzip
wurde bereits eingesetzt, um Kräfte wie die Erdbeschleunigung sehr
genau zu vermessen.
Quantensysteme auf der Werkbank? Den Bonner Forschern geht es aber um etwas anderes, nämlich die
Simulation von komplexen Quantensystemen. Viele Physiker hoffen seit
langem, mit modernsten Supercomputern schwer erfassbare Phänomene
wie so genannte topologische Isolatoren oder die Photosynthese der
Pflanzen mit kleinen Quantensystemen nachstellen zu können. Die
ersten Schritte zu solchen Simulatoren könnten darin bestehen, die
Bewegung von Elektronen in Festkörpern nachzubilden und dadurch
Erkenntnisse für innovative elektronische Geräte zu gewinnen.
Beispiele sind die Diracbewegung von Elektronen in einer einlagigen
Graphenschicht oder die Entstehung künstlicher Moleküle aus
wechselwirkenden Teilchen. Hierfür müssen aber einzelne Atome
nicht nur gut kontrolliert, sondern auch quantenmechanisch
verknüpft werden, da die Crux gerade in dem Gebilde aus vielen
Quantenobjekten liegt.
Ein Zahnrad im Getriebe „Ein Atom ist für uns ein einzelnes Zahnrad, gut
kontrolliert und geölt“, sagt Dr. Andrea Alberti, der
Teamleiter des Bonner Experiments. „Man kann mit Zahnrädern
Rechenmaschinen von beachtlicher Leistung bauen, aber dafür
müssen sie ineinandergreifen.“ Hier liegt die eigentlich
Bedeutung der Teilung von Atomen: Weil die beiden Hälften wieder
zusammengefügt werden, können sie bei der Teilung mit
benachbarten Atomen links und rechts durch Berührung Kontakt
herstellen und diesen anschließend austauschen. So kann ein
kleines Netzwerk von Atomen entstehen, mit dem man wie in einem
Computerspeicher reale Systeme nachstellen und kontrolliert
manipulieren könnte – ihre Geheimnisse wären dann
besser zugänglich. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass
das ganze Potenzial dieser präzisen Kontrolle einzelner Atome sich
mit der Zeit offenbaren wird.
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