Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Elektronenpaare in QuantenfernbeziehungenExperimente mit Synchrotronstrahlung liefern Einsichtenin die Mysterien der Quantenphysik.Die Quantenmechanik stellt unsere Vorstellungskraft aufeine harte Probe. Einiges ging da sogar Albert Einstein zu weit.1935 veröffentlichte er zusammen mit Boris Podolsky und NathanRosen einen Artikel, in dem die Autoren zu dem Schlusskommen, dass – wenn die Quantenmechanik stimme und dieWirklichkeit unabhängig von unseren Beobachtungen sei, esQuantenobjekte in spukhaften Quantenfernbeziehungen gebenmüsse. Und das könne einfach nicht sein.Generell sind Eigenschaften von Quantenobjekten oft erstnach einer Messung bestimmt. Die Eigenschaften von zwei Objektenin einer Quantenfernbeziehung sind dabei auf eine mysteriöseWeise miteinander verknüpft. Denn wenn man ein Paarvon zwei Objekten in einem sogenannten verschränkten Zustanduntersucht, indem man eine Messung einer bestimmtenEigenschaft an einem der beiden vornimmt, so ist die entsprechendeEigenschaft unmittelbar auch für den Partner festgelegt– auch wenn sich dieser am anderen Ende des Universumsbefinden sollte.In den ersten Jahren nach der Veröffentlichung von Einstein,Rosen und Podolsky fand die Arbeit nicht allzu viel Beachtung,erschien sie vielen doch eher philosophischer Natur.Ideen für eine experimentelle Überprüfung dieser grundlegendenAnnahmen zur Struktur der Wirklichkeit gab es damalsnicht. Erst John Bell hat das auch EPR-Paradoxon genannte Problem1961 auf eine experimentell nachprüfbare Basis gestellt.Bells bahnbrechende Arbeit erlaubt, zwischen der Existenz einerlokal realistischen und einer quantenmechanischen Welt messtechnischzu unterscheiden. Realistisch bedeutet in diesem Zusammenhang,dass die Messungen nicht von einem Beobachterabhängen; von Lokalität sprechen Physiker, wenn sich entfernteEreignisse nicht unmittelbar beeinflussen können. In seiner Arbeitaus dem Jahr 2003 ging Anthony J. Leggett noch einenSchritt weiter, indem er die Nichtlokalität der Wirklichkeit bereitsberücksichtigte. Als entscheidender Faktor für den messbarenUnterschied zwischen klassischer Welt und Quantenweltbleibt dann nur noch der Realitätsbegriff. Es geht dann um diegrundlegende Frage, ob Elemente der Realität – wie die charakteristischenEigenschaften eines gemeinsamen Paar-Zustandes– in der Wirklichkeit unabhängig von einem Beobachterexistieren oder nicht.Einstein war fest davon überzeugt, dass dies unabhängigvom Beobachter sein müsse. Untersuchungen zur Verschränkungder Eigenschaften der Elemente unserer Wirklichkeithaben jedoch das Gegenteil bewiesen. Den Komponenten einesmaximal verschränkten Paares kann man nicht einmal teilweisedefinierte individuelle Eigenschaften zuordnen.In den vergangenen Jahrzehnten konnten Experimente dieGültigkeit der quantenmechanischen Interpretation der Wirklichkeitmit steigender Präzision belegen. Dabei wurden aber –einem Vorschlag David Bohms folgend – anstelle von Orts- undImpulseigenschaften Drehimpulseigenschaften ausgenutzt.Hingegen wurden Einsteins, Podolskys und Rosens eigentlicheVorschläge zur Überprüfung des Wirklichkeitsbegriffs hinsichtlichkontinuierlicher Variablen wie Ort und Impuls bisher experimentellnicht überprüft. Dieses Dunkel bezüglich derVerschränkung kontinuierlicher Variablen dauerte fast ein Dreivierteljahrhundertan.Erst in fortgeschrittenen Experimenten an zweiatomigenMolekülen wie N2 mittels Synchrotronstrahlung wurde diese VisionWirklichkeit. Hier verwendeten Forscher in einem Team umArbeitsgruppen aus dem Fritz-Haber-Institut in Berlin, derUniversität Frankfurt und dem California Institute of Technologyin Pasadena (Kalifornien) Synchrotronstrahlung dazu, denAtomen zwei Elektronen aus den innersten Schalen zu entreißen.Diese Elektronen verlassen das Atom in einer Quantenfernbeziehung,deren Verschränkungseigenschaften experimentellüberprüft werden konnten.Das Ergebnis war eine klare Bestätigung der Quantenmechanik,diesmal jedoch für die lange Zeit ignorierten kontinuierlichenVariablen Ort und Impuls. Das Verständnis dieserZusammenhänge ist in vieler Hinsicht eine der Grundlagen zurRealisation zukünftiger Quantencomputer, bei denen die Gesetzmäßigkeitender Quantenmechanik ausgenutzt werden sollen,um parallele Rechnungen zugleich durchzuführen zukönnen.Abbildung:Das Diagramm zeigt verschiedeneIntensitätender geraden (g) und ungeraden(u) Symmetriezuständein Abhängigkeitvom Impuls der Photoelektronen.Die experimentellenDaten passenvortrefflich zur Modellrechnung,auf die Cohenund Fano (CF) als erstehingewiesen haben.WissenschaftlicheVeröffentlichungen:B. Zimmermann, D. Rolles,B. Langer, R. Hentges,M. Braune, S. Cvejanovic,O. Geßner, F. Heiser,S. Korica, T. Lischke,A. Reinköster, J. Viefhaus,R. Dörner, V. McKoy,U. Becker, Nature Physics4, (2008) 649M. S. Schöffler, J. Titze,N. Petridis, T. Jahnke,K. Cole, L. Ph. H. Schmidt,A. Czasch, D. Akoury,O. Jagutzki, J. B. Williams,N. A. Cherepkov,S. K. Semenov,C. W. McCurdy,T. N. Rescigno, C. L. Cocke,T. Osipov, S. Lee,M. H. Prior, A. Belkacem,A. L. Landers, H. Schmidt-Böcking, Th. Weber,R. Dörner, Science 320,(2008) 920Synchrotronstrahlung 2009 27