Wiener Physikern gelingt bahnbrechendes Quanten-Experiment

Vor knapp 50 Jahren gelang in Wien ein bahnbrechendes Experiment: Mit einem Neutronen-Interferometer wurde gezeigt, dass auch massive Teilchen wie Neutronen Welleneigenschaften besitzen. Schlüsselkomponente solcher Geräte ist ein einzelner Kristall, der Neutronen auf 2 Pfade aufteilt. Wiener Physiker bauten nun erstmals ein Neutronen-Interferometer mit 2 Kristallen. Das ermöglicht viel genauere Messungen, berichten sie im „Journal of Applied Crystallography“.

Objekte, für die die Gesetze der Quantenphysik gelten, besitzen sowohl Eigenschaften von Wellen als auch von Teilchen, man spricht deshalb von der „Welle-Teilchen-Dualität“. Die Wellennatur von Lichtteilchen kannte man schon lange, sie zeigt sich im berühmten Doppelspalt-Experiment: Fällt Licht durch zwei schmale, parallele Spalte, entstehen durch Verstärkung und Auslöschung der Lichtwellen helle und dunkle Bereiche („Interferenz“). Anfang der 1970er-Jahre wusste man auch, dass sich Elektronen so verhalten.

Wiener Physiker ebnet den Weg

Doch die Quantenmechanik sagte dieses Verhalten auch für massive Teilchen voraus, nur gesehen hatte dies damals noch niemand. Der Wiener Physiker Helmut Rauch (1939-2019) stellte am Wiener Atominstitut aus einem Silizium-Kristall das erste Neutronen-Interferometer her. Er schoss Neutronen auf einen Kristall, der den Strahl in 2 Pfade aufteilte. So konnte er 1974 die ersten Interferenzen mit Neutronen beobachten - der Beweis für die Welleneigenschaften von Materie, der immer wieder auch als nobelpreiswürdig eingestuft wurde.

Einige Jahre später hat die Technische Universität (TU) Wien an der weltstärksten Neutronenquelle, dem Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble (Frankreich), die permanente Interferometriestation S18 einrichtet. Diese besteht bis heute und dort wurde die aktuelle Arbeit realisiert.

Schwieriges Unterfangen

Neutronen-Interferometer spielen seit Jahrzehnten eine wichtige Rolle für Präzisionsmessungen und die physikalische Grundlagenforschung. Doch die Methode ist äußerst empfindlich und der Effekt wird durch winzige Ungenauigkeiten, Vibrationen und Verschiebungen zerstört. „Daher fräst man normalerweise das gesamte Interferometer aus einem einzigen Kristall heraus“, erklärte Hartmut Lemmel vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien in einer Aussendung. So kann der Einfluss äußerer Störungen auf die Neutronenwelle minimiert werden.

Weil man Kristalle nicht in beliebiger Größe herstellen kann, schränkt das die Möglichkeiten der Methoden stark ein. Zwar habe man schon in den 1990er-Jahren versucht, 2 Kristalle in einem größeren Abstand zu positionieren, doch das sei nicht geglückt, weil man sie dafür ganz exakt gegeneinander ausrichten muss, so Lemmel. Schon eine Verschiebung des Kristalls um die Distanz eines Atomdurchmessers kann das Interferenzmuster völlig verändern.

Forscherteam gelingt Experiment mit 2 Kristallen

Nun gelang es einem internationalen Forscherteam um Lemmel, die Kristalle extrem exakt auszurichten. Das ermöglicht es, den Abstand zwischen den beiden Kristallen zu erhöhen und damit die Größe des Gesamtsystems zu erweitern. Und diese Größe bestimmt bei vielen Experimenten die Messgenauigkeit.

Den Forschern zufolge können nun fundamentale Wechselwirkungen mit bisher unerreichter Genauigkeit untersucht werden - etwa der Einfluss von Gravitation auf Neutronen im Quantenbereich oder die Existenz von hypothetischen neuen Naturkräften. Die Arbeit „öffnet die Tür zu einer neuen Generation von Neutronen-Interferometern und interessanten Anwendungen“, schreiben die Wissenschafter.