Das berühmte Doppelspalt-Experiment benötigt normalerweise mehrere Teilchen, um den Welle-Teilchen-Dualismus und die Quanten-Überlagerung zu belegen. Doch jetzt haben Physiker eine Methode entwickelt, bei der schon ein einziges Neutron reicht. Mithilfe eines Quantenteilers und einer Manipulation des Spins konnten sie nachweisen, dass das Neutron dank der Quantenüberlagerung tatsächlich beiden Pfaden gleichzeitig folgte – und zu welchen Anteilen.
Das Doppelspaltexperiment ist eines der berühmtesten Experimente der Quantenphysik. Richtet man einen Strahl aus Photonen, Elektronen, Atomen oder Molekülen auf eine Blende mit zwei Schlitzen, entsteht im Detektor dahinter ein Interferenzmuster. Dieses verrät, dass sich die Quantenwellen der Teilchen gegenseitig verstärkt oder ausgelöscht haben – und bestätigt so den Welle-Teilchen-Dualismus. Gleichzeitig weist das Experiment auch die quantenphysikalische Überlagerung nach: Jedes Teilchen folgt nicht nur einem bestimmten Weg durch das Gitter, sondern mehreren Pfaden gleichzeitig.
Zwei Wege für ein Neutron
Der Haken jedoch: Das resultierende Muster lässt sich nicht an nur einem Teilchen erkennen, der Nachweis funktionierte bisher erst, wenn man das Experiment mehrfach wiederholt. „Man erklärt das Verhalten einzelner Teilchen auf Basis von Ergebnissen, die erst durch die statistische Untersuchung vieler Teilchen sichtbar werden“, erklärt Koautor Holger Hofmann von der Universität Hiroshima. „Wir haben daher überlegt, wie sich das Phänomen der Zweiweg-Interferenz bereits anhand einer einzigen Teilchen-Detektion beweisen lässt.“
Dafür haben Hofmann und ein Team der TU Wien um Erstautor Hartmut Lemmel eine neue Variante des Doppelspalt-Experiments entwickelt. Dafür lenkten sie einzelne Neutronen zunächst auf einen Kristall, der die Quantenwelle des Neutrons in zwei Teilwellen aufspaltet. Diese folgen dann zwei verschiedenen Pfaden – analog den beiden Öffnungen der Doppelspaltblende. Am Zielort werden sie wieder zusammengeführt, überlagern sich und werden gemessen.
