Heisenbergsche Unschärfe ausgetrickst

Verhinderter Quanteneffekt: Physikern ist es gelungen, ein quantenphysikalisches Grundprinzip auszutricksen – die Heisenbergsche Unschärferelation. Nach dieser verändert schon die Messung das Verhalten eines Teilchens. Doch in einem Oszillator aus einer Membran und einer Atomwolke haben die Forscher diesen Effekt nun weitgehend neutralisiert. Dieser Durchbruch könnte neue Sensoren für die Elektronik, aber auch für Gravitationswellendetektoren ermöglichen, so die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

In der Welt der kleinsten Teilchen hat schon das „Hinschauen“ dramatische Konsequenzen: Allein dadurch, dass wir den Lichtstrahl eines Mikroskops oder einen Messlaser auf ein Teilchen richten, verändern wir dessen Energiezustand und Verhalten. Die auftreffenden Photonen übertragen ihren Impuls und damit einen Teil ihrer Energie auf das Teilchen. Dadurch ist die genaue Messung seiner Position und Geschwindigkeit unmöglich – ein Prinzip, das schon der Werner Heisenberg in den 1920er Jahren erkannte.

Als Folge der Heisenbergschen Unschärferelation ist die Messgenauigkeit in der Nano- und Quantenwelt begrenzt. Praktisch bemerkbar macht sich dies nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern beispielsweise auch bei den auf Laser-Interferometrie beruhenden Gravitationswellen-Detektoren und sogar bei stark miniaturisierten Beschleunigungsmessern in moderner Elektronik.

Atomwolke als Puffer

Doch jetzt hat ein Team um Christoffer Møller von der Universität Kopenhagen einen Weg gefunden, der Heisenbergschen Unschärfe ein Schnippchen zu schlagen. Sie konstruierten ein Messsystem, das den Quanten-Rückstoß der auftreffenden Photonen ausgleicht und damit neutralisiert. Ihr System besteht aus einer hauchdünnen Siliziumnitrid-Membran, deren Vibration es zu messen gilt.

Direkt vor dieser Membran befindet sich eine Wolke aus ultrakalten Cäsiumatomen. Der Clou daran: Diese Atome sind so manipuliert, dass der Spin ihrer Elektronen umgekehrt wurde. Dadurch verhalten sie sich wie ein Objekt mit negativer Masse, wie die Physiker erklären: Bekommen sie einen Schubs, bewegen sie sich auf den Impulsgeber zu statt von ihm weg.

Rückstoß-Effekt: Treffen die Laserphotonen auf das Messobjekt, hier den Spiegel, dann verändert ihr Impuls dessen Position. © Q-istvan/ CC-by-sa 3.0

Quanten-Rückstoß ausgeglichen

Übertragen auf das neue Messsystem bedeutet dies: Trifft der Messstrahl eines Lasers auf dieses Ensemble, würde das Auftreffen der Photonen auf die Membran normalerweise deren Vibration verändern – und so die Messung ungenau machen. Doch die Atomwolke verhindert dies: „Die Laserphotonen schubsen auf ihrem Weg zur Membran auch die Atomwolke und deren Reaktion gleicht die der Membran aus „, erklärt Projektleiter Eugene Polzik.

Anders ausgedrückt: Membran und Atomwolke bekommen vom Laser den gleichen Impuls. Aber weil die Atomwolke wie eine negative Masse reagiert, kehrt sie sozusagen das Vorzeichen ihrer Reaktion um. Dadurch gleichen sich diese beiden Störeffekte aus – und die Heisenbergsche Unschärferelation ist überlistet. In ersten Tests dämpfte die Atomwolke den Quanteneffekt immerhin schon um 34 Prozent, wie die Physiker berichten.

Nutzbar für genauere Sensoren

Nach Angaben der Forscher ist dies ein echter Durchbruch und das erste Mal, dass die Heisenbergsche Unschärferelation auf diese Weise ausgetrickst wurde. Das von ihnen entwickelte Prinzip könnte nun Wege zu genaueren Sensoren für die Messungen von Beschleunigung, Entfernungen, der Schwerkraft und vielen anderen Kräften eröffnen. „Denn dies bedeutet, dass es keine Quantum Back-action mehr gibt – und daher auch keine Begrenzung mehr für die Genauigkeit von Messungen auf der Quantenebene“, sagt Polzik.

Besonders nützlich wäre das neue Messsystem für Laser-Interferometer von Gravitationswellen-Detektoren wie LIGO. Denn bei diesen werden die winzigen Stauchungen und Dehnungen der Raumzeit durch Laserstrahlen gemessen, die in kilometerlangen Messtunnel von Spiegeln reflektiert werden. Die Auslenkungen durch die Gravitationswellen sind so dabei minimal, dass hier der Quanten-Rückstoß-Effekt bereits zum Tragen kommt. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature22980)

(University of Copenhagen, 17.07.2017 – NPO)