New Methods for Quantum Optics with Clusters and Molecules

Über die letzten Jahre haben sich die experimentelle Quantenphysik und die Nanotechnologie aus unterschiedlichen Richtungen wesentlich aufeinander zu bewegt. Fundamentale Quantenphänomene, die unserer Alltagserfahrung und dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheinen, - wie zum Beispiel der Welle-Teilchen-Dualismus - ließen sich bislang nur an einfachsten Quantenobjekten demonstrieren. Es gibt aber seit einiger Zeit intensive Bemühungen, größere und komplexere Systeme zu untersuchen, um die experimentellen Grenzen von Quantenphänomenen auszuloten. Auf der Seite der Nanotechnologie hat es parallel dazu immense Fortschritte in umgekehrter Richtung bei der reproduzierbaren Herstellung kleiner Objekte gegeben. Mit der Entdeckung von käfigartigen Kohlenstoffmolekülen - den Fullerenen - sowie mit der kontrollierten Erzeugung von Nanokristallen, sogenannten Quantenpunkten, aber auch mit neuen Strahlmethoden der Biotechnologie wurden Objekte bereitgestellt, die für die Anwendung in Quantenexperimenten interessant sind. Und tatsächlich konnte in Experimenten an der Universität Wien vor kurzem auch der Welle-Teilchen Dualismus für die Fullerene schon nachgewiesen werden. Auf diesem Erfolg aufbauend werden im START Projekt "Neue Methoden für die Quantenoptik mit Clustern und Molekülen" verschiedene Experimente mit neuartigen und technologisch relevanten Clustern und Molekülen implementiert, die es erlauben, ein bislang unerforschtes Gebiet zu erkunden. Unter den Untersuchungsobjekten werden sich die erwähnten Fullerene in abgewandelter Form (Derivate und endohedrale Moleküle), Nanokristalle sowie organische Moleküle (Aminosäuren, Porphyrine,...) befinden. Diese Objekte unterscheiden sich von den bislang untersuchten kleineren Quanten durch u.a. große elektrische oder magnetische Dipolmomente, Polarisierbarkeiten oder auch eine sehr spezifische und reichhaltige innere Struktur. Die Ausnutzung dieser Eigenheiten für die quantenphysikalische Kontrolle der Molekularbewegung ist ein zentraler Gegenstand der vorrangig betriebenen Grundlagenforschung. Zu den möglichen Anwendungen der erwarteten Fortschritte auf dem Gebiet der Quantenoptik mit Molekülen zählen präzisere Messungen von molekularen Eigenschaften und äußeren Kräften. Auch die Perspektiven der interferometrischen Lithographie, d.h. der Moleküldeposition auf Substraten unter Ausnutzung der quantenmechanischen Wellennatur, sollen untersucht werden. Derartige Verfahren haben das Potenzial zur Präparation sehr kleiner und regulärer Molekularstrukturen, die möglicherweise langfristig für die Oberflächenchemie oder molekulare Informationsverarbeitung von Nutzen sein können.

Über die letzten Jahre haben sich die experimentelle Quantenphysik und die Nanotechnologie aus unterschiedlichen Richtungen wesentlich aufeinander zu bewegt. Fundamentale Quantenphänomene, die unserer Alltagserfahrung und dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheinen, - wie zum Beispiel der Welle-Teilchen-Dualismus - ließen sich bislang nur an einfachsten Quantenobjekten demonstrieren. Es gibt aber seit einiger Zeit intensive Bemühungen, größere und komplexere Systeme zu untersuchen, um die experimentellen Grenzen von Quantenphänomenen auszuloten. Auf der Seite der Nanotechnologie hat es parallel dazu immense Fortschritte in umgekehrter Richtung bei der reproduzierbaren Herstellung kleiner Objekte gegeben. Mit der Entdeckung von käfigartigen Kohlenstoffmolekülen - den Fullerenen - sowie mit der kontrollierten Erzeugung von Nanokristallen, sogenannten Quantenpunkten, aber auch mit neuen Strahlmethoden der Biotechnologie wurden Objekte bereitgestellt, die für die Anwendung in Quantenexperimenten interessant sind. Und tatsächlich konnte in Experimenten an der Universität Wien vor kurzem auch der Welle- Teilchen Dualismus für die Fullerene schon nachgewiesen werden. Auf diesem Erfolg aufbauend werden im START Projekt "Neue Methoden für die Quantenoptik mit Clustern und Molekülen" verschiedene Experimente mit neuartigen und technologisch relevanten Clustern und Molekülen implementiert, die es erlauben, ein bislang unerforschtes Gebiet zu erkunden. Unter den Untersuchungsobjekten werden sich die erwähnten Fullerene in abgewandelter Form (Derivate und endohedrale Moleküle), Nanokristalle sowie organische Moleküle (Aminosäuren, Porphyrine,...) befinden. Diese Objekte unterscheiden sich von den bislang untersuchten kleineren Quanten durch u.a. große elektrische oder magnetische Dipolmomente, Polarisierbarkeiten oder auch eine sehr spezifische und reichhaltige innere Struktur. Die Ausnutzung dieser Eigenheiten für die quantenphysikalische Kontrolle der Molekularbewegung ist ein zentraler Gegenstand der vorrangig betriebenen Grundlagenforschung. Zu den möglichen Anwendungen der erwarteten Fortschritte auf dem Gebiet der Quantenoptik mit Molekülen zählen präzisere Messungen von molekularen Eigenschaften und äußeren Kräften. Auch die Perspektiven der interferometrischen Lithographie, d.h. der Moleküldeposition auf Substraten unter Ausnutzung der quantenmechanischen Wellennatur, sollen untersucht werden. Derartige Verfahren haben das Potenzial zur Präparation sehr kleiner und regulärer Molekularstrukturen, die möglicherweise langfristig für die Oberflächenchemie oder molekulare Informationsverarbeitung von Nutzen sein können.