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Nobelpreis für Physik 2012

Experimente in der Quantenwelt

von Prof. Dr. Jürgen Brickmann

Wie die Königliche Akademie der Wissenschaften in Stockholm am 8. Oktober dieses Jahres verkündete, teilen sich in diesem Jahr den Nobelpreis für Physik zwei Wissenschaftler, der Franzose Serge Haroche und der Amerikaner David J. Wineland. Sie beide haben unabhängig voneinander bahnbrechende experimentelle Methoden entwickelt, mit denen es möglich ist, individuelle kleinste Teilchen zu vermessen und auch zu manipulieren, ohne dabei ihre quantenmechanische Natur zu verletzen. Dies galt bislang als völlig unmöglich.

Für Mitmenschen, denen die Gesetze der Quantenphysik eher fremd sind, wird die Begründung leer und nichtssagend vorkommen. Diejenigen, die sich während eines naturwissenschaftlichen Studiums mit den Grundlagen der Quantenmechanik und etwa deren Bedeutung in der Spektroskopie beschäftigt haben, werden das Preiswürdige an den Arbeiten von Haroche und Wineland nicht erkennen. Steht doch in den diversen Lehrbüchern über Quantenmechanik schon auf den ersten Seiten, dass es nicht nur reine Quantenzustände gibt, sondern auch alle möglichen kohärenten Überlagerungen von diesen. Man hat über „Gedankenexperimente“ gelernt, wie sich solche Systeme verhalten. Nur die Physiker aus der Wissenschaft reagierten mit Begeisterung und positiven Kommentaren. Weil den Preisträgern etwas gelungen war, das für unmöglich galt! Manch kritischer Geist mag sich fragen, womit denn die von Alfred Nobel in seinem Testament formulierte Vorschrift, wonach „jährliche Zinsen als Preise denen zugeteilt werden, die im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen gebracht haben“, zu suchen sei.
Bevor auf die Arbeiten der Laureaten kurz eingegangen werden soll, eine Antwort auf die letzte Frage aus den Verlautbarungen der Schwedischen Akademie der Wissenschaften: Haroche und Wineland haben durch ihre Methoden eine Tür zu einer neuen Ära von Experimenten mit Quantensystemen geöffnet, ohne diese zu zerstören. Die Arbeiten können als erster Schritt zur Entwicklung von so genannten Quantencomputern angesehen werden. Darüber hinaus haben die Arbeiten schon jetzt zur Entwicklung von extrem genauen Uhren geführt, die etwa um den Faktor 100 genauer sind als die heute im Einsatz befindlichen Cäsiumuhren. Diese Uhren können als eine neue Basis für den Zeitstandard angesehen werden.

Doch nun zu den Arbeiten der Laureaten in Einzelnen

In den Laboratorien von Wineland in Boulder/ Colorado wurden elektrisch geladene Atome (Ionen) in einer elektrostatischen Falle festgehalten (Abb. 1). Im Vakuum wurde den Ionen durch Laserpulse so lange Energie entzogen, bis sie im niedrigsten Energiezustand angekommen waren. Danach wurden sie durch einen sorgfältig getunten Laser mit Energie versorgt, die der Hälfte der Differenz zwischen dem Grundzustand und dem nächst höheren Zustand entspricht. Der Zustand, in dem sich das Ion dann befindet, ist eine Superposition von beiden mit gleicher Wahrscheinlichkeit dafür, in einem von ihnen schließlich zu landen. Dieser Prozess wurde analysiert.
Serge Haroche und seine Forschergruppe verwendeten eine andere Methode, um in die Quantenwelt einzutauchen. Sie sperrten ein Mikrowellenphoton zwischen zwei Spiegeln mit einem Abstand von 3 cm ein (Abb. 2) ein. Auch hier wieder Hochvakuum und eine Temperatur der Spiegel knapp über dem absoluten Nullpunkt. Das Photon lief für den Bruchteil einer Sekunde zwischen den Spiegel hin und her und legte dabei eine Strecke von 40.000 km zurück – die Strecke einmal um die Erde. In diesem Zeitfester wurde es durch Einstrahlung von so genannten Rydberg-Atomen (Atome mit Elektronenanregung bis kurz unter die Ionisationsgrenze) untersucht. Dabei wurde das Photon nicht zerstört und trotzdem konnten die Forscher über die Untersuchung der Rydberg- Zustände Rückschlüsse auf seine Natur gewinnen.
Die Arbeiten von Haroche und Wineland mögen sich nicht jedem in voller Tragweite erschließen. Sicher ist jedoch: Die Preisträger haben Hervorragendes geleistet, das sich in der näheren Zukunft tief greifende Einwirkungen bei Entwicklung von neuen Technologien haben wird.

Serge Haroche

Geb. 1944 in Casablanca, promovierte 1971 an der Université Pierre et Marie Curie in Physik, Paris und ist jetzt Professor am Collège de France und der Ecole Normale Supérieure (ENS) in Paris.

David J. Wineland

Geb. 1944 in Milwaukee, WI, USA, erlangte seinen Ph.D. in Physik 1970 von der Harvard University, Cambridge, MA, USA. 1975 ging er ans National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, CO, USA. Er ist dort Gruppenleiter und NIST Fellow und lehrt an der University of Colorado Boulder, CO, USA.

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