Wunderland der Quantenphysik

  • 30. July 2014

Können sich Neutronen an einem anderen Ort befinden als ihr eigener Spin? Quantenexperiment am ILL zeigt neues Quanten-Paradox auf.

Die Grinsekatze im Roman „Alice im Wunderland“ von Lewis Caroll hat ganz besondere Fähigkeiten: Sie selbst verschwindet, ihr Grinsen bleibt aber zurück. Lässt sich ein Objekt von seinen Eigenschaften trennen? In einem Quanten­experiment ist das nun gelungen: Neutronen wurden dazu gebracht, sich entlang eines anderen Wegs zu bewegen als eine ihrer Eigenschaften – ihr magnetisches Moment. Diese „Quanten-Grinsekatze“ könnte dazu dienen, Hochpräzisions­messungen unempfindlicher gegen Störungen zu machen.

Tobias Denkmayr beim Experiment in Grenoble (Bild: TU Wien)

Abb.: Tobias Denkmayr beim Experiment in Grenoble (Bild: TU Wien)

Nach den Gesetzen der Quantenphysik können sich Teilchen in einer Überlagerung unterschiedlicher Zustände befinden. So kann man beispiels­weise einen Strahl von Neutronen mit Hilfe eines Silizium-Kristalls auf zwei unterschiedliche Strahlen aufteilen und zeigen, dass sich die einzelnen Neutronen nicht für einen der beiden möglichen Wege entscheiden müssen, sondern in einer Quanten-Überlagerung beide Strecken gleichzeitig durchlaufen.

„Diese experimentelle Technik bezeichnet man als Neutronen­interfero­metrie“, sagt Yuji Hasegawa von der TU Wien. „Sie wurde hier am Atominstitut in den 1970er Jahren entwickelt und hat sich als perfektes Werkzeug zur Untersuchung der Grundlagen der Quanten­mechanik erwiesen.“ Hasegawa versammelte ein großes Team – mit Tobias Denkmayr, Hermann Geppert und Stephan Sponar von der TU Wien, Alexandre Matzkin vom CNRS und Jeff Tollaksen von der Chapman University in Kalifornien. Gemeinsam gelang es, eine „Quanten-Grinsekatze“ zu fangen: Das System verhält sich, als wären die Neutronen räumlich von ihrem magnetischen Moment getrennt.

Das Experiment selbst wurde an der Neutronen­quelle des Institut Laue-Langevin in Grenoble durchgeführt, wo das Atominstitut eine weltweit einzigartige Messstation für Neutronen­inter­ferometrie betreibt. In Grenoble wurde das Team zusätzlich von Hartmut Lemmel unterstützt. In einem Interferometer wird zunächst ein Neutronen­strahl in zwei Teile aufgespalten, dann sorgt man dafür, dass die Spins beider Teilstrahlen unter­schiedliche Richtungen einnehmen: Der obere Neutronen­strahl hat einen Spin parallel zur Flugrichtung des Neutrons, die Spin­richtung des unteren Strahls ist antiparallel zur Flugrichtung. Nachdem die beiden Strahlen wieder zusammen­geführt worden sind, wählt man gezielt jene Neutronen aus, deren Spin in Flugrichtung zeigt – die anderen werden einfach ignoriert. „Das bezeichnet man als Post­selection“, erklärt Hermann Geppert. „Im Strahl gibt es Neutronen unterschiedlicher Spin-Richtungen, wir analysieren aber nur um einen Teil davon.“

Herzstück des Experiments ist ein Kristall, der einen Neutronenstrahl auftrennen und wieder zusammengeführen kann. (Bild: TU WIen)

Abb.: Herzstück des Experiments ist ein Kristall, der einen Neutronen­strahl auftrennen und wieder zusammen­führen kann. (Bild: TU WIen)

Diese Neutronen, die im Zustand „Spin in Flug­richtung“ vorgefunden werden, müssen sich entlang des oberen Pfades bewegt haben, denn nur dort befinden sich die Neutronen in diesem Zustand. Dies lässt sich auch experimentell beweisen: Baut man im unteren Pfad einen Filter ein, der einen geringen Anteil der Neutronen verschluckt, dann bleibt die Anzahl der am Ende gemessenen „Spin in Flugrichtung-Neutronen“ gleich. Baut man den Filter oben ein, sinkt die Zahl dieser Neutronen.

Komplizierter wird es allerdings, wenn man zusätzlich auch untersucht, wo der Spin der Neutronen zu finden ist: Durch ein Magnetfeld wird der Spin der Neutronen leicht verändert. Wenn man die beiden Strahlen auf geeignete Weise überlagert, können sie sich dann gegenseitig verstärken oder abschwächen. Genau das lässt sich im Experiment beobachten, wenn man ein Magnetfeld am unteren Pfad anlegt, also dort, wo die Neutronen, die für das Experiment entscheidend sind, sich eigentlich gar nicht aufhalten. Ein Magnetfeld am oberen Pfad hingegen hat keine Auswirkungen.

„Eben dadurch, dass wir die Neutronen anfangs in einem speziellen Zustand präparieren und am Ende ganz bestimmte Neutronen post­selektieren, erreichen wir, dass die möglichen Wege im Inter­ferometer beide eine Bedeutung für das Experiment haben – allerdings auf ganz unter­schiedliche Weise“, sagt Tobias Denkmayr. „Entlang des einen Weges koppeln die Teilchen selbst an unseren Messapparat, aber nur der andere Weg ist empfindlich gegenüber einer Kopplung des Spins. Das System verhält sich also so, als wären Teilchen räumlich von ihren Eigenschaften getrennt.“

Abb.: Grundidee der Quanten-Cheshire-Katze ist ein Interferometer, das einen Strahl in einen oberen und einen unteren Weg aufteilt. So trennt es ein Objekt von seiner Eigenschaft getrennt – als würde sich eine Katze oben, ihr Grinsen aber unten fortbewegen. (Bild: L. Filter, TU Wien)

Abb.: Grundidee der Quanten-Cheshire-Katze ist ein Interferometer, das einen Strahl in einen oberen und einen unteren Weg aufteilt. So trennt es ein Objekt von seiner Eigen­schaft getrennt – als würde sich eine Katze oben, ihr Grinsen aber unten fortbewegen. (Bild: L. Filter, TU Wien)

Interessant ist das für Hoch­präzisions­messungen, die heute sehr oft auf dem Prinzip der Quantenüberlagerung beruhen. „Wenn ein Quantensystem eine Eigenschaft hat, die man messen will, und eine andere, die das System anfällig gegen Störungen macht, kann man mit einer Quanten- Grinsekatze beides trennen und so möglicher­weise die Beeinträch­tigung des Experiments durch die Störung minimieren“, hofft Sponar.

Die Idee der Quanten-Grinsekatze hatten zunächst Jeff Tollaksen und Ykir Aharonov von der Chapman University entwickelt. Ein Vorschlag für ein Experiment war im Vorjahr publiziert worden, die nun vorgestellten Messungen sind der erste experimentelle Nachweis dieses Phänomens.

ILL / TU Wien / OD

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