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Dienstag, 21.10.2014
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Forscher filmen Wellen-Verhalten von Molekülen

Interferenz im Nanomaßstab detailgenau aufgezeichnet

Ein internationales Forscherteam hat erstmals Moleküle dabei gefilmt, wie sie ein Interferenzmuster erzeugen. Diese Art der Wechselwirkung ist normalerweise typisch für Wellen, kann aber auch von kleinen Teilchen hervorgerufen werden. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift "Nature Nanotechnology" berichten, eröffnet das von ihnen entwickelte Verfahren auch neue Möglichkeiten, die Eigenschaften von Teicehn zu erforschen.

Jedes einzelne Molekül fluorisziert und wird zum Teil des Interferenzmusters.

Die Quantentheorie beschreibt die Welt der Atome sehr präzise. Dennoch entzieht sie sich der direkten Beobachtung in der Alltagswelt. Der Welle-Teilchen-Dualismus ist eines der bekanntesten Beispiele dafür. Er besagt, dass Materieteilchen sich wie Wellen ausbreiten und wechselwirken können. Von Strahlung wie dem sichtbaren Licht ist bekannt, dass Wellen, die durch zwei schmale, nebeneinanderliegende Spalten fallen, sich dahinter kreisförmig ausbreiten. Dabei treffen die Wellen der beiden Spalten aufeinander und beeinfllussen sich gegenseitig. Treffen zwei Wellenberge aufeinander, addiert sich ihre Wellenintensität. Auf einem Wandschirm entsteht an dieser Stelle ein besonders heller Streifen. Treffen dagegen ein Wellenberg und ein Wellental aufeinander, heben sie sich gegenseitig auf. Auf dem Schirn entsteht ein dunkler Streifen.

Moleküle durch ein ptisches Gitter geschickt


Genau dieses Muster haben nun die Forscher auch mit Hilfe eines Strahls aus Molekülen erzeugt und gefilmt. Für das Experiment stellten Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universitäten Wien und Tel Aviv zunächst fluoriszierende Moleküle eines Stoffs namens Phtalocyanin her. Diese bestanden bis zu 114 Atomen. Die Moleküle wurden beschleunigt, als langsamer Strahl durch ein optisches Gitter geschickt und landeten auf einem Sichtschirm. Dort wurden sie durch einen Laser zum Leuchten angeregt und so sichtbar gemacht.

Wie das Interferenzmuster sich aus den einzelnen Lichtpunkten zusammensetzt, hat ein Fluoreszenzmikroskop dabei über 90 Minuten verfolgt. Der Aufbau ist so empfindlich, dass jedes einzelne Molekül auf dem Schirm auf etwa zehn Nanometer genau lokalisiert wird. „Zu sehen, wie sich das Interferenzmuster mit jedem Lichtfleck, Molekül für Molekül, aufbaut und sich ein Grundprinzip der Quantenmechanik darstellt, vertieft unser Verständis der atomaren Welt“, erklärt Marcel Mayor, der am Karlsruher Institut für Technologie und an der Universität Basel forscht und lehrt.

Neue Forschungsmöglichkeiten


In Zukunft könnte der Versuchsaufbau genutzt werden, um etwa die sogenannte van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den Molekülen im Strahl und denen im Gitter zu untersuchen. Diese Art der gegenseitigen Beeinflussung wäre dann an feinen Details des Interferenzmusters ablesbar. Auch die Frage, ab welcher Größe und unter welchen Bedingungen sich Teilchen quantenmechanisch oder klassisch verhalten, ließe sich mit Hilfe der Interferenz feststellen und könnte die Grundlage für neuartige Anwendungen wie etwa Quantencomputer legen.

„Doch schon die vielen Einsichten, die uns dieses Experiment über die Quantenwelt und ihre Grenzen erlaubt, sind ein Wert an sich“, stimmt Mayor mit vielen Experten überein, unter anderem Bum Suk Zhao und Wieland Schöllkopf vom Berliner Fritz-Haber-Institut, die das Experiment im begleitenden Kommentarartikel in der gleichen Zeitschrift bewerten. (Nature Nanotechnology, 2012; doi:10.1038/ NNANO.2012.34)
(Karlsruher Institut für Technologie, 27.03.2012 - NPO)

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