Aussicht

Wie weit die Quantenphysik in unsere makroskopische Welt hineinreicht, ist eine offene Frage. Bislang widerspricht kein einziges bekanntes Experiment den Vorhersagen der Quantenphysik.

Da wir Menschen uns aber in einer klassischen Welt wahrnehmen, gibt es mehrere theoretische Modelle die eine Gültigkeitsgrenze für das Superpositionsprinzip der Quantenmechanik vorhersagen. Manche beziehen sich dabei auf die größer werdende Komplexität, die meisten auf die steigende Masse der Objekte.

Die Quantennatur komplexer, biologischer Materie?

Das Komplexitätsargument berührt die Frage, ob man die Quantennatur auch biologischer Materie nachweisen oder gar nutzen kann. Diese Frage hat einen philosophischen Hintergrund und viele praktische Anwendungsmöglichkeiten. Kann man eines Tages die Wellennatur von Vitaminen, Aminosäuren, Peptiden, Proteinen oder gar selbstreplizierenden Strukturen wie Plasmiden oder Viroiden sehen? Wenn ja, kann man die Feinheit der Interferenzstrukturen nutzen, um über etwas über diese Objekte zu lernen – z.B. wenn man die Interferometrie in äußeren elektrischen, optischen  oder magnetischen Feldern betreibt? Interferenz-Experimente erlauben es sehr kleine Wechselwirkungen zu messen und bieten ein großes Potential als Sensoren. Solche Fragen werden derzeit im ERC Projekt Probiotiqus und der Forschungsplattform QuNaBioS verfolgt.

Massengrenzen der Quanteninterferometrie?

Das Massenargument ist auch insofern naheliegend, als es bis heute keine vereinheitlichte Theorie für Quantenphysik und Gravitation gibt. Zudem gibt es ausgearbeitete mathematische Modelle, die sich mit der Möglichkeit befassen, dass die Delokalisation massiver Objekte durch einen zufälligen Kollaps der Wellenfunktion mit fester Rate reduziert würde (Continuous Spontaneous Localization, CSL). Solche Fragen werden derzeit im EU Projekt NanoQuestFit in enger Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment verfolgt.
Die Experimente an der Universität Wien halten hier bislang mit \(m > 10 000 \, \mathrm{amu}\) (im Jahr 2014) den aktuellen Massenrekord.
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Herausforderungen?

Eine besondere praktische Herausforderung bei der Arbeit mit massereichen Quanten stellen die kleinen De-Broglie-Wellenlängen dar. Je kleiner die Wellenlänge, desto feiner werden die erwarteten Beugungsmuster. Derzeitige Interferometer in den Wiener Labors sind kompatibel mit \(  \lambda_{dB} \ge 200\, \mathrm{fm}\). Das ist schon 10’000 Mal  kleiner als die typische Ausdehnung eines  einzelnen organischen Moleküls. Wenn die Wellenlänge in diesem Bereich bleiben soll, muss auch der molekulare Impuls \( p=h/\lambda_{dB} \) im Bereich von \( p = 2\times 10^6\, \mathrm{amu\cdot m/s} \) bleiben.

Ein wichtiger Teil der Forschung sind daher auch die Entwicklung neuer Quellen und effizienter Detektoren für langsame, massive, massenselektierte, neutrale Moleküle und Nanopartikel. Die theoretische Beschreibung dieser Teilchen und ihrer elektrischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften sowie das Verständnis ihrer quantenmechanischen Wechselwirkung mit den Beugungselementen.

Jedenfalls ergeben sich in diesem interdisziplinären Forschungsfeld viele Synergien zwischen Quantenoptik, synthetischer Chemie, Molekularbiologie und Nanotechnologie.