Eine saphirblaue Schrödinger-Katze zeigt, dass Quanteneffekte skalieren können

Nov 22, 2023

In einem Saphirkristallsplitter in einem speziell entwickelten Gerät (siehe Abbildung) haben Wissenschaftler eine Nachahmung der toten und lebendigen Schrödinger-Katze geschaffen, bei der der Kristall gleichzeitig in zwei Richtungen wackelt.

Matthew Fadel

Von Emily Conover

25. April 2023 um 9:00 Uhr

Ganz im Sinne der großen Tradition rundlicher Katzen ist eine neu geschaffene Quanten-„Katze“ besonders massiv – zumindest im Quantenbereich.

Wissenschaftler versetzen ein wackelndes Stück Saphirglas in einen sogenannten „Katzenzustand“, in dem ein Objekt gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen existiert. Es ist eine Situation, die an Schrödingers Lieblingskatze der Physiker erinnert, die dafür bekannt ist, gleichzeitig lebendig und tot zu sein.

Die neue Saphirkatze wiegt relativ kräftige 16 Mikrogramm, berichten Physiker im Science vom 21. April. Das ist fast die Hälfte der Masse einer Wimper und mehr als 100 Billionen Mal die Masse der zuvor mit Molekülen erzeugten Katzenzustände. „Wir haben ein neues Regime erreicht, in dem die Quantenmechanik offenbar funktioniert“, sagt der Physiker Yiwen Chu von der ETH Zürich.

In einer Quantenparabel, die sich der Physiker Erwin Schrödinger in den 1930er Jahren ausgedacht hat, ist eine Katze in einer Kiste gefangen und wird aufgrund von Quanteneffekten gleichzeitig lebendig und tot (SN: 26.05.16). Dieses paradoxe Szenario passiert in der realen Welt nicht. Während Quantenteilchen in der Lage sind, gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen zu existieren – was als Überlagerung bezeichnet wird –, verschwinden diese Effekte bei katzengroßen Dingen.

Quanteneffekte sind typischerweise auf Atome, Moleküle und dergleichen beschränkt. Die für das menschliche Auge sichtbare Alltagswelt weist keine Quanteneigenschaften auf. Wissenschaftler können bestimmte winzige Objekte dazu bringen, Quantenmerkmale anzuzeigen (SN: 25.04.18). Aber Wissenschaftler verstehen die Grenze zwischen Quanten- und Nichtquantenbereich nicht vollständig.

„Wir haben gerade erst begonnen, dieses Zwischenregime zu verstehen“, sagt Benjamin Sussman von der University of Ottawa, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. „Es ist von wirklich großem Interesse zu sehen, wie diese Quantensysteme skalieren und wie sie sich verhalten.“

Katzenzustände sind eine besondere Variante des Quantenverhaltens, die Schrödingers Idee nahe kommt. Es handelt sich um Überlagerungen zweier Zustände, die gemäß der klassischen Physik, die die Alltagswelt beschreibt, unterschiedlich sind – wie eine lebende oder tote Katze – und nicht zwei Zustände, die nur im Quantenbereich existieren, wie etwa die Energieniveaus eines Atoms.

In dem neuen Experiment bewegten die Forscher einen Teil eines Saphirkristalls so, dass sich dessen Atome gleichzeitig in zwei Richtungen bewegten. Das ist eine Unterscheidung, die „den Geist“ von Schrödingers Katze einfängt, sagt Chu.

Das Wackeln war auf einen Splitter des Kristalls beschränkt, der aus 100 Millionen Milliarden Atomen bestand. Das ist groß genug, dass es, wenn man es aus dem Rest des Kristalls herauslöste, mit bloßem Auge sichtbar wäre, sagt Chu.

Dennoch waren die Schwingungen der Atome winzig, etwa ein Millionstel eines Milliardstel Millimeters – nicht gerade die Größenordnung von Alltagsgegenständen. Andere Demonstrationen von Katzenzuständen haben eine viel größere räumliche Trennung gezeigt, obwohl sie aus weniger Atomen bestehen.

In zukünftigen Arbeiten würde sich Sussman wünschen, dass die Forscher nicht nur die Masse, sondern auch die Größe der Schwingungen vergrößern. „Das wird wirklich schwer, aber sehr interessant.“

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Eine Version dieses Artikels erscheint in der Science News-Ausgabe vom 3. Juni 2023.

M. Bild et al. Schrödinger-Katze-Zustände eines 16-Mikrogramm-mechanischen Oszillators. Wissenschaft. Bd. 380, 21. April 2023, S. 274. doi: 10.1126/science.adf7553.

Die Physikautorin Emily Conover hat einen Ph.D. in Physik von der University of Chicago. Sie ist zweifache Gewinnerin des Newsbrief-Preises der DC Science Writers' Association.

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