Multi-Skalen Cluster Interferenz

Der Welle-Teilchen-Dualismus gehört zu den wichtigsten Phänomenen der Quantenphysik. Er illustriert den konzeptionellen Widerspruch zwischen einer kontinuierlichen wellenartigen Bewegung der Wahrscheinlichkeitsamplituden und ihrer teilchenartigen Reduktion auf wohldefinierte Positionen während einer Messung. Er wurde schon in vielen Experimenten mit Elektronen, Neutronen, Atom und sogar Molekülen demonstriert. Es ist jedoch bis heute eine offene Frage wie nicht-lokale Quantensuperpositionen in lokale Phänomene im Alltag übergehen.
Eine Möglichkeit, diese Frage unvoreingenommen anzugehen, besteht darin, die Masse und Größe der Objekte in fortgeschrittenen Quantenexperimenten zu vergrößern. Die Wiener QNP Gruppe hält derzeit den Massen-Weltrekord in Materiewelleninterferometrie und schlägt hier vor, diesen Rekord um eine weitere Größenordnungen nach oben zu verschieben. Dazu sollen nun selbst Objekte mit einem Masse-Geschwindigkeits-Produkt von 2⋅107 amu × m/s untersucht werden, z.B. de Broglie Wellen von Teilchen bis zu einer Masse von mehr als 300‘000 amu bei bis zu 60 m/s.
Dazu soll eine skalierbare kalte Clusterquelle gebaut werden, um den extremen Ansprüchen an die Quanteninterferenz im Massenbereich zwischen 104-106 amu zu genügen. Ein intensiver Anionen-Clusterstrahl soll durch Stoßaggregation von Atomen in einem kalten Edelgas erzeugt und nachfolgend in einem Quadrupolmassenfilter selektiert werden. Beim Flug durch einen Ionenfilter mit kryogenem Puffergas sollen die Ionen sowohl internen als auch in ihrer Bewegung gekühlt werden. Ultraviolettes Licht kann dann Elektronen abtrennen, um die Cluster zu neutralisieren. Die niedrige Austrittsarbeit der Metalle ist dabei der Schlüssel zur Realisierung kontinuierlicher photoinduzierter Gitter mit einer Periode von 133 nm und die Basis für die lichtinduzierte Ionendetektion. Erste Tests können auch mit großen Alkaliclustern durchgeführt werden, die schon bei Einstrahlung von 532 nm Licht ionisieren. Die Quelle des MUlti-Scale CLuster Interference Experiments (MUSCLE) wird sowohl geladene also auch neutraler Cluster erzeugen mit einer breiten Verteilung hin zu mehr als 10’000 Atomen pro Teilchen. Aufgrund der externen Kühlung werden strukturell einfache kalte Objekte erzeugt, die im Flug durch die Apparatur gegenüber thermischer Quantendekohärenz weitgehend inert sind.
MUSCLE soll die experimentelle Grenze all jener Modelle verschieben, die kleine Änderungen der Quantendynamik bei großer Masse erwarten. Viele dieser Modelle skalieren mit dem Quadrat der Masse des delokalisierten Objekts. MUSCLE wird auch einen Meilenstein in der Materiewellenphysik definieren, weil das Projekt eine Materialklasse für die Quantenoptik zugänglich macht, die bis zu einem Drittel des Periodensystems der Elemente umfasst: von Alkali- und Erdalkaliatomen, über seltene Erden bis hin zu Münzmetallen, sowie dekorierte oder gemischte Nanoteilchen. MUSCLE wird deren elektronische, magnetische und optische Eigenschaften zukünftigen quanten-assistierten Messungen zugänglich machen.