In der Welt der Quanten herrschen andere Gesetze. So lassen sich beispielsweise Ort und Impuls eines Objekts nicht gleichzeitig beliebig exakt bestimmen. Diese Interpretation der Heisenbergschen Unschärferelation gilt für einzelne Atome, Ionen oder auch Lichtteilchen, den Photonen. Doch bei welcher Größe fängt die Quantenwelt an? Wo verläuft die Grenze, ab der eine klassische Beschreibung mit Newtonscher Mechanik versagt?
US-Forscher näherten sich nun mit einem – makroskopischen – Experiment diesem bisher nur sehr “unscharf” bestimmten Übergang. Als Testobjekt wählten sie einen nanomechanischen Oszillator, bei dem sie mit einem Ein-Elektronen-Transistor eine exakte Ortsbestimmung versuchten und so schon recht nah an den Bereich der Heisenbergschen Unschärfe heranreichten. Ihren Versuchsaufbau beschreiben sie in der Fachzeitschrift Science (Vol. 304, S. 74). “Wir haben die thermische Bewegung des Resonators bei Temperaturen von etwa 56 Millikelvin beobachtet”, erklären Keith Schwab und seine Kollegen vom Laboratory of Physical Sciences an der University of Maryland.
Mit einer Länge von rund einem hundestel Millimeter entspricht dieser Resonator etwa der Masse von 10 Billionen Wasserstoffatomen und wäre damit das bisher größte Objekt, an dem eine Messung quantenmechanischer Bewegungen erfolgt ist. Schwab wählte konkret den Übergang der klassisch bestimmenden Brownschen Bewegung hin zur quantenmechanischen Nullpunktsschwingung, die eine direkte Konsequenz der Heisenbergschen Unschärfe darstellt. Durch die Abkühlung auf knapp den absoluten Nullpunkt wollte Schwab die klassisch thermische Bewegung komplett einfrieren, so dass in dem filigranen Messaufbau die Nullpunktsschwingung die dominierende Größe wird.
Mit Schwingungsfrequenzen von rund 20 Megahertz bei 56 Millikelvin reichten die Forscher bis auf einen Faktor von 4,3 an das Quantenlimit heran. Obwohl sie damit die ersehnte Grenze, einen quantenmechanischen Effekt in einem makroskopischen Körper direkt zu messen, nicht ganz erreicht haben, sollte das mit einem optimierten Versuchsaufbau bald möglich sein. So akademisch diese Versuche anmuten mögen, können sie doch wichtige Informationen für konkrete Anwendungen liefern. “Die Auswirkungen dieses Experiments reichen von der Bestimmung der ultimativen Grenzen eines Kraftmikroskops bis hin zu Auslesemechanismen zukünftiger Qubits in einem Quantencomputer”, so Schwab. Denn sobald man genau weiß, wie stark beispielsweise die Nullpunktsschwingung eine exakte Orts- und Impulsbestimmung eines makroskopischen Körpers beeinflusst, kennt man auch – erstmals experimentell bestimmt – die ultimativen Grenzen der möglichen Messgenauigkeit.
Jan Oliver Löfken
