Quanteninterferenz mit Clustern und komplexen Molekülen

Die Quantentheorie ist die zentrale Säule der modernen Physik. Keine andere Theorie der Naturwissenschaften ist so präzise bestätigt und kaum ein anderes Naturmodell hat so viele praktische Konsequenzen. Die Atomuhr, der Kernspintomograph, die neutronenbasierte Materialforschung, die moderne Quanteninformationsverarbeitung, ultrakalte Quantenmaterie, die Supraleitung und die Festkörperquantenphysik basieren alle auf dem gleichen Modell, das zu einem großen Teil auf die Ideen des Österreichers Erwin Schrödinger um 1926 zurück geht und das sich bislang immer und ausnahmslos bestens experimentell bestätigt hat. Der Wittgensteinpreis 2008 soll ein Forschungsprogramm katalysieren helfen, in welchem es darum geht, die Quantenforschung auf einer neuen Komplexitätsebene zu betreiben. Ein Schwerpunkt dabei ist die "Materiewellenphysik von Nanomaterialien", was man gelegentlich umgangssprachlich - wenn auch leicht verfälschend - beschreibt als die Möglichkeit eines massiven Teilchens, an "verschiedenen Orten zugleich" zu sein. Quanteninterferenzexperimente mit massiven Molekülen und Clustern, die in Wien weltweit erstmals erfolgreich waren, sollen nun einen großen Schritt nach vorne gebracht werden. Mit der Quanteninterferenz supermassiver kalter Metallcluster soll die Frage verfolgt werden, ob man Indizien dafür finden kann, dass die Quantenphysik bei großen Teilchenmassen modifiziert werden muss. Ein wichtiges Ziel der nächsten Jahre wird es sein, die Massengrenze erdgebundener Quanteninterferenzexperimente auszuloten. Die Verbindung von Quantenphysik und Gravitation ist generell eine der Schlüsselfragen der Physik und die Wiener Forschung ist ein Beitrag zu der Suche nach einem besseren Verständnis. Komplementär dazu soll die Quanteninterferometrie mit organischen Molekülen einen neuen interdisziplinären Forschungszweig an der Grenze zwischen Physik, Chemie und Biologie initiieren: Experimente in den Wiener Labors haben gezeigt, dass man Quantenmethoden verwenden kann, um Eigenschaften isolierter organischer Moleküle auf eine neue Art und mit guter Genauigkeit zu vermessen. Der Wittgensteinpreis soll helfen, eine zunehmend präzisere Kontrolle über die Zustände dieser komplexen Systeme zu erhalten und das neue Feld der "molekularen Quantenmetrologie" aufzubauen. Für viele dieser Fragen müssen neue Technologien in Wien etabliert werden, vor allem neue Verfahren Kühlung und zur optischen Manipulation großer Moleküle und Cluster. Der Wittgensteinpreis ist aber auch "seed-money", das "nötige Kleingeld" um unkonventionelle Ideen, die Mut und vorübergehende Unabhängigkeit von externen Gutachtern benötigen, in einer Phase zu verfolgen, zu der noch niemand sagen kann, ob die Forschung jemals ein sinnvolles Ergebnis liefern oder scheitern wird. Dies betrifft unter anderem die Frage, ob man in großen Molekülen Quantenverschränkung messen kann. Das umfasst die Frage nach neuen Möglichkeiten zur Nanostrukturierung molekularer Oberflächen mittels Quanteninterferenz. Dies betrifft aber auch die Frage nach der Erforschung von Quantenphänomenen in organischen oder gar lebenden Systemen - wiederum vornehmlich auf molekularer Ebene. Der Wittgensteinpreis wird so einer ganzen Gruppe von jungen Forschern spannende Arbeit für viele Jahre schaffen.

Im Wittgenstein Project Z149 haben wir neue Wege erforscht, wie man massive Quantensysteme quantenkohärent manipulieren kann. In der Fernfeldbeugung an nanomechanischen Gittern konnten wir den Welle-Teilchen Dualismus auf dem Niveau einzelner Moleküle mittels Fluoreszenzmikroskopie sichtbar machen. Wir haben Beugung an Ultradünnen nanofabrizierten Masken studiert sowie die kohärente Ausbreitung organischer Moleküle durch die Nanoporen eines Algenskeletts. Die Kapitza-Dirac-Talbot-Lau-Interferometrie (KDTLI) wurde in ein Werkzeug zur quantenassistierte Metrologie weiterentwickelt. Es kann nun Kräfte bis hinunter zu YoctoNewton messen und interne Moleküleigenschaften auslesen auch wenn die Teilchen über mehr als das Hundertfache ihres eigenen Durchmessers delokalisiert sind. Quantenassistierte Metrologie soll nun vor allem auf Moleküle von biologischem Interesse erweitert werden. Das KDTL Interferometer hält darüber hinaus den derzeitigen Massenweltrekord für Materiewellen mit Teilchen von m=10123 amu. Wir konnten zum ersten Mal auch ein Materiewelleninterferometer mit gepulsten Ionisationsgittern (OTIMA) realisieren, in dem nun Cluster von Molekülen delokalisiert werden. Das Konzept eliminiert dispersive Phasenverschiebungen und ist nahezu vollständig unabhängig von den detaillierten elektronischen Eigenschaften der gebeugten Teilchen. Neue Molekularstrahlmethoden wurden erprobt: Es gab vielversprechende Fortschritte in der Laserverdampfung, Laserdesorption und laser-induzierten akustischen Desorption. Im Bereich ultra-hoher Massen konnten wir zum ersten Mal Cavity-Kühlen von Silizium Nanoteilchen (1010 amu) im Hochvakuum demonstrieren. Wir haben verschiedene Photoionisationsverfahren untersucht und supraleitende Detektoren wurden erstmals im Hinblick auf den Nachweis einzelner Neutralteilchen erprobt. Rasterelektronenmikroskopie in der Talbot-Lau Interferometrie ermöglichte uns, das Potential der Molekülinterferometrie für die Lithographie zu untersuchen. Unsere Forschung erfolgte stets in enger Zusammenarbeit mit internationalen Partnern an der interdisziplinären Grenze zwischen experimenteller und theoretischer Quantenoptik, Chemie, Nanotechnologie und zunehmend auch Molekularbiologie. Alle Interferenzexperimente der Wiener QNP Gruppe und viele Molekularstrahlmethoden sind weltweit einmalig und haben eine langfristige Perspektive für die Quantenoptik mit komplexen Molekülen geschaffen, die nun zunehmend auf Biomoleküle und Teilchen bei ultra-hohen Massen in Europäischen Projekten ausgeweitet wird.