05.11.2020

ERC-Grant für Quanten-Grundlagen­forschung

Die Quantenphysiker Oriol Romero-Isart und Markus Aspelmeyer aus Innsbruck und Wien erhalten gemeinsam mit Lukas Novotny und Romain Quidant von der ETH Zürich einen der renommierten ERC Synergy Grants. Gemeinsam werden sie eines der grundlegendsten Prinzipien der Quantenphysik bis an die äußerste Grenze treiben, indem sie einen Festkörper aus Milliarden von Atomen an zwei Orten gleichzeitig positionieren.

Anfang 2020 gelang es einem Team um Markus Aspelmeyer zum ersten Mal ein schwebendes Nanoteilchen in den Quantengrundzustand zu kühlen.
Anfang 2020 gelang es einem Team um Markus Aspelmeyer zum ersten Mal ein schwebendes Nanoteilchen in den Quantengrundzustand zu kühlen. © Lorenzo Magrini, Yuriy Coroli/Universität Wien

Selbst mehr als 100 Jahre nach ihrer Entdeckung scheinen die Gesetze der Quantenphysik manchmal im Widerspruch zum gesunden Menschenverstand zu stehen. Am prominentesten zeigt sich dies am Superpositionsprinzip, das besagt, dass sich ein einzelnes Objekt so verhalten kann, als ob es sich an mehreren Orten gleichzeitig befindet. Dieses Verhalten wurde in wegweisenden Experimenten bestätigt: auf der Ebene von Elementarteilchen, Atomen und sogar Molekülen, die Tausende von Atomen enthalten. Aber gilt das Prinzip auch für den makroskopischen Bereich, beispielsweise für Festkörper, die mit dem bloßen Auge sichtbar sind?

Bei der Beantwortung dieser Frage will das österreichisch-schweizerische Forschungsteam mit Unterstützung eines mit 13 Millionen Euro dotierten Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) nun einen großen Schritt weiterkommen. Die größten bisher im Quantenregime untersuchten Objekte sind organische Moleküle. „Wir wollen nun Nanoteilchen, die aus Milliarden von Atomen bestehen, in einen Überlagerungszustand versetzen“, schildert Projektkoordinator Oriol Romero-Isart vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) das gemeinsame Ziel.

Ziel gemeinsam erreichen

In den letzten Jahren haben die vier Forscher in einzelnen ERC-Projekten neue experimentelle und theoretische Techniken entwickelt, um solche Nanoteilchen im Quantenregime schweben zu lassen und zu kontrollieren. „Wir kombinieren unser Know-how in den Grundlagenwissenschaften, der Nanotechnologie und den Ingenieurwissenschaften, um einen radikal neuen Zugang zu dieser Frage zu schaffen“, sagt der Experimentalphysiker Markus Aspelmeyer von der Universität Wien, der auch wissenschaftlicher Direktor am Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW ist. Gemeinsam werden sie die Nanoteilchen im Hochvakuum untersuchen, wobei deren Schwerpunktbewegung auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird und sie in einer Kombination aus optischen, elektrischen und magnetischen Feldern schweben und manipuliert werden. „Mit diesem Projekt gehen wir an die Grenzen des heute technisch Machbaren“, fügt Romero-Isart hinzu.

Seit 2012 fördert der ERC mit den Synergy Grants eben solche Forschungsprojekte, in denen Forschende verschiedener Fachgebiete gemeinsam an der Erreichung eines Ziels arbeiten, das für die Wissenschaft bisher außer Reichweite lang. Nach einem mehrstufigen Begutachtungsverfahren und im Wettbewerb mit hunderten anderen Projekten, fördert der ERC nun das Forschungsvorhaben Q-Xtreme der vier Physiker in Innsbruck, Wien und Zürich.

Potential für Quantensensoren

Quantensuperpositionen sind sehr fragil und empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Trägheit und Gravitationskräften. Mit den Experimenten wird es daher auch möglich sein, den Einfluss der Schwerkraft auf derart extreme Quantenzustände zu analysieren. Darüber hinaus ermöglichen sie die Entwicklung empfindlicher Messinstrumente für Beschleunigung, Rotation oder Schwerkraft. Die Experimente werden in Wien und Zürich durchgeführt, die Gruppe von Oriol Romero-Isart in Innsbruck wird das Projekt mit theoretischen Arbeiten unterstützen.

Es gibt auch einen historischen Aspekt: Der österreichische Physiker und Nobelpreisträger Erwin Schrödinger machte sich in seinem berühmten Gedankenexperiment, das heute als „Schrödingers Katze“ bekannt ist, über die möglichen Folgen solcher „makroskopischen Überlagerungen“ lustig. „Angesichts der Tatsache, dass Schrödinger Professuren in Wien, Innsbruck und Zürich innehatte, scheint dies der geeignete Ort zu sein, um diese Experimente durchzuführen", schmunzeln Aspelmeyer und Romero-Isart.


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