Quantenphysik

Zitterndes Teilchen

Von Manfred Lindinger
28.01.2010
, 06:00
Ein genialer und berüchtigt wortkarger Physiker: Paul A. M. Dirac (1902 - 1984)
Man nutze einfach zu handhabende Quantensysteme, um heikle Quantenphänomene zu simulieren, lautete der Rat Richard P. Feynmans. Innsbrucker Wissenschaftler haben ihn beherzigt - und mit Erfolg.
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Die Zitterbewegung schneller Elektronen ist eines der seltsamsten Phänomene der Quantenphysik. Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger war im Jahr 1930 darauf gestoßen, als er die relativistische Quantentheorie, die sein englischer Kollege Paul A. M. Dirac zwei Jahre zuvor formuliert hatte, genauer analysierte. Er fand heraus, dass ein Elektron, das fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, keine geradlinige Bewegung ausführt, sondern schnell hin und her oszilliert, ohne dass eine äußere Kraft wirkt.

Für viele Physiker der damaligen Zeit war das eine paradoxe Vorstellung. Da die Fluktuationen extrem klein und schnell sein sollen, sind bisher alle Versuche fehlgeschlagen, die Zitterbewegung direkt nachzuweisen. Wissenschaftler von der Universität Innsbruck haben nun einen neuen Anlauf gestartet. Rainer Blatt und seinen Kollegen ist es gelungen, Schrödingers prognostizierten Effekt zu beobachten – allerdings nicht an einem Elektron, sondern überraschenderweise an einem einzelnen positiv geladenen Kalziumion, das in einer Falle eingesperrt war.

Diracs Paukenschlag

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Der Theoretiker Dirac hatte im Frühjahr 1928 großes Aufsehen erregt, als er eine Gleichung präsentierte, die die Quantenmechanik und die von Albert Einstein formulierte spezielle Relativitätstheorie verband, woraus sich letztlich auch die Theorie von den zitternden Elektronen ergab. Mit der Dirac-Gleichung war es erstmals möglich, das quantenmechanische Verhalten von Teilchen exakt zu beschreiben, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Darüber hinaus lieferte sie einige bahnbrechende Erkenntnisse, etwa dass der Spin, den man einige Jahre vorher entdeckt hatte, sich als eine natürliche Eigenschaft von Elektronen entpuppte. Auch führte die Lösung der Gleichung zu Elektronen mit einer negativen Energie beziehungsweise negativen Masse, die Dirac in seiner Weitsicht als unbekannte Antiteilchen interpretierte. Die Vermutung sollte sich im Jahr 1932 mit der Entdeckung des Positrons bestätigten.

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Bei der zwei Jahre vorher vorhergesagten ominösen Zitterbewegung war es lange nicht klar, ob sie jemals in der Natur zu beobachten sein würde. Sie sollte sich aus der Überlagerung positiver und negativer Energieanteile der Wellenfunktion des Elektrons ergeben, wie die Rechnungen Erwin Schrödingers zeigten. Die Amplitude der Fluktuation würde allerdings nur einen tausendstel Nanometer betragen – viel zu wenig, um jemals direkt beobachtet werden zu können.

Ion in der Falle

Die Wissenschaftler um Blatt haben deshalb eine Idee aufgegriffen, die eine deutsch-spanische Forschergruppe vor drei Jahren ersonnen hatte. Durch Anregung mit Laserlicht bestimmter Frequenz und Intensität könne man ein gefangenes Ion dazu bringen, sich wie ein freies Teilchen mit einem halbzahligen Spin zu verhalten, das den Gesetzmäßigkeiten der Dirac-Gleichung gehorcht. Dadurch ließe sich auch die Zitterbewegung eines Elektrons bei einem Ion messen, so die Forscher.

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In ihrem Experiment haben die Innsbrucker Physiker ein einzelnes Kalziumion in einer zylindrischen Ionenfalle eingefangen, wo es sich – was die Versuche vereinfachte – nur in eine Raumrichtung bewegen konnte. Mit Laserlicht wurde das Teilchen stark abgekühlt. Es bewegte sich nun so langsam, dass man seinen Aufenthaltsort oder seinen Impuls messen konnte. Die Forscher regten anschließend mit einem roten Laserstrahl zwei bestimmte Energiezustände des Ions an, die den positiven und negativen Energiezuständen eines relativistischen Dirac-Teilchens entsprachen, und brachten diese schließlich zur Überlagerung.

Mit einer Art Stroboskop verfolgten sie anschließend die Position des Ions in der Falle und beobachteten, wie der gleichförmigen Bewegung des Teilchens eine Zitterbewegung überlagert war („Nature“, Bd. 463, S. 68). Die Fluktuation brach ab, als man ausschließlich denjenigen Energiezustand anregte, der dem positiven beziehungsweise negativen Energieanteil des Dirac-Teilchens entsprach.

Die Dirac-Gleichung hält

Für die Forscher war das ein untrügliches Zeichen, dass die Zitterbewegung tatsächlich auf die Überlagerung von Zuständen positiver und negativer Energie zurückzuführen ist. Der Vergleich mit Berechnungen der Dirac-Gleichungen lieferte die Bestätigung, dass es sich tatsächlich um die seit langem gesuchte Oszillation handelte. Durch Variation von Frequenz und Intensität des anregenden Laserstrahls ließen sich die Masse und die Geschwindigkeit des vermeintlichen Dirac-Teilchens verändern. So verhielt sich das Kalziumion wie ein releativistisches Teilchen, das aber nur eine Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde hatte.

Für Blatt und seine Kollegen bestätigt ihr Experiment wieder einmal die Maxime des amerikanischen Physik-Nobelpreisträgers und Visionärs Richard Feynman. Er hat dafür plädiert, unzugängliche quantenphysikalische Phänomene mit Quantensystemen zu simulieren, die vergleichsweise einfach zu handhaben und gut verstanden sind. Mit einem Ensemble von Ionen und Atomen könnte man künftig auch die Vorgänge in hochkomplexen Mehrteilchensystemen wie in Supraleitern oder in Magneten nachahmen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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