Quantenphysik

Was ist Quantenphysik?

“Quantum?” ist die lateinische Frage “Wie viel?”. Im Alltag bezeichnet das Wort oft einfach eine “kleine Portion”. Die Quantenphysik bezieht ihren Namen ursprünglich aus den kleinen Mengen an Energie, die bei der Wechselwirkung von Licht mit Atomen ausgetauscht werden.  Die Quantentheorie hat sich seit 1900 bis heute zu einem umfassenden Theoriegebäude entwickelt, das in unzähligen Experimenten höchst präzise bestätigt wurde.

Moderne Quantenphysik untersucht eine Vielzahl von Phänomenen, die mit unserem logischen Verständnis oft nicht vereinbar sind, da sie im Alltag nicht direkt beobachtbar sind.

Quanten-Superposition
Die Koexistenz von Zuständen, die sich in der makroskopischen Welt gegenseitig ausschließen würden. Das beinhaltet auch, dass Wellenfunktionen Eigenschaften von kleinen Teilchen beschreiben und so Quanten an mehreren Positionen zugleich ‘sind’ oder in verschiedene Richtungen zugleich fliegen, dass ein Magnetvektor in verschiedene Richtungen zeigen kann und ein Elektron verschiedene Energiezustände ‘zugleich’ einnehmen kann.
Quanten-Sprünge
Die diskontinuierliche, diskrete Natur der Energien und Zustandsübergänge in begrenzten Systemen, wie zum Beispiel Elektronen in einem Atom, Molekül oder in Quanten-Punkten.
Quanten-Spin
Ein Drehimpuls sogar für punktförmige Teilchen, der in einem mechanistischen Weltbild nicht existieren würde.
Quanten Tunneln
Das Eindringen von Objekten in energetisch verbotene Bereiche.
Quanten-Ununterscheidbarkeit und Quanten-Statistik
Wenn zwei Objekte in all ihren Quantenzahlen übereinstimmen, sind sie fundamental ununterscheidbar und sie verlieren ihre Identität. Das führt zu wichtigen Konsequenzen in deren statistischem Verhalten, das auch von ihrem Spin abhängt. Es ist sogar maßgebend für die Stabilität von Materie (Pauli Prinzip).
Quanten-Zufall
Unvorhersagbar zufällige Einzelmessungen, aber innerhalb der statistischen Grenzen durch den Quantenformalismus vordefinierte Ergebnisse.
Quanten-Verschränkung
Die untrennbare Korrelation der Eigenschaften von Quantenobjekten, selbst wenn sie räumlich getrennt sind und ausgeschlossen ist, dass sie durch irgendwelche bekannten Mittel kommunizieren.

Diese Lernplattform behandelt den ersten Aspekt: Die Materiewellen-Natur von massiven Teilchen, hier speziell von großen komplexen Molekülen.

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Materiewellen

Im Jahr 1923 veröffentlichte Louis de Broglie die Idee, dass der Welle-Teilchen Dualismus von Lichtquanten auch auf materielle Teilchen zutreffen müsste. Seine Hypothese basiert dabei auf der Äquivalenz von Energie und Masse aus Einsteins Spezieller Relativitätstheorie (\(E=mc^2\)) sowie der Relation zwischen Energie und Frequenz von Lichtquanten (\(E=h \nu\)). Diese beiden Formeln können kombiniert werden, um vorherzusagen, dass jedes materielle Objekt mit einem wellenartigen Phänomen in Verbindung gebracht werden kann. Die Wellenlänge \(\lambda_{dB}=h/mv\) dafür ist definiert durch das Planck’sche Wirkungsquantum, die Masse des Objekts \(m\) und seine Geschwindigkeit \(v\).

Elektronen können so nicht nur als punktförmige Teilchen mit definierter Masse, Ort und Impuls gedacht werden, sondern auch mit einer delokalisierten Wellenfunktion assoziiert sein, die sich in verschiedene Richtungen ausbreitet und die als Wahrscheinlichkeitsamplitude interpretiert wird. Die für Wellen charakteristische Beugung und Interferenz von Elektronen wurde nur wenige Jahre später von Clinton Davisson und Lester Germer in den Bell Labs sowie unabhängig davon von George Paget Thomson und Reid an der Universität von Aberdeen experimentell nachgewiesen.

De Broglie’s Idee inspirierte Erwin Schrödinger, 1926 eine Theorie der Wellenmechanik zu formulieren – eine der Säulen der modernen Quantenphysik und bis heute eine der bestbestätigten Beschreibungen der Natur.

Materiewellen spielen heute eine große Rolle in vielen Technologien: vom Elektronenmikroskop, über supraleitende Interferometer (SQUIDS) als höchstempfindliche Magnetfeldsensoren, Neutronenbeugung in der Materialanalyse bis hin zu Atominterferometern als hochpräzise Gravitations- und Rotationssensoren.

Die vorliegende Lernplattform bietet erstmals einen interaktiven Zugang zu aktuellen Materiewellenexperimenten an der Universität Wien, in denen die quantenmechanische Wellennatur komplexer Moleküle studiert wird.

Diese Experimente werden von zwei Motivationen getrieben:

  1. Zum einen gilt es zu verstehen, wie sich der Übergang von der Mikro- in die Makrowelt vollzieht. Wieso können Elektronen delokalisiert sein und selbst große Moleküle, die auch aus mehreren hundert Atomen bestehen, aber keine Katzen?
  2. Zum anderen kann die Materiewelleninterferometrie auch mit Molekülen neue Methoden begründen, die neue Zugänge zu Präzisionsmessungen an komplexer Materie eröffnen.