05.08.2021

"Keine Innovation ohne Grundlagenforschung"

Wie die quantenphysikalische Grundlagenforschung die Grenzen des (Denk-)Möglichen erweitert, darüber sprechen die Physiker/innen Markus Aspelmeyer und Francesca Ferlaino im ÖAW-Sommergespräch.

Ein Sommergespräch über paradoxe Phänomene der Quantenwelt, den glücklichen Zufall und den Wert der Grundlagenforschung mit den ÖAW-Physiker/innen Markus Aspelmeyer und Francesca Ferlaino. © ÖAW/Klaus Pichler
Ein Sommergespräch über paradoxe Phänomene der Quantenwelt, den glücklichen Zufall und den Wert der Grundlagenforschung mit den ÖAW-Physiker/innen Markus Aspelmeyer und Francesca Ferlaino. © ÖAW/Klaus Pichler

Frau Ferlaino, Ihnen ist es gelungen, mit ultrakalten Quantengasen aus starkmagnetischen Atomen erstmals sogenannte Suprafestkörper zu erzeugen. Was konnten Sie beobachten?

Francesca Ferlaino: Stellen Sie sich vor, Sie halten einen Kristall, hart wie einen Diamanten, in der Hand. Plötzlich zerfließt dieser wie Honig durch ihre Finger – er ist flüssig und zugleich hart. Stark vereinfacht gesprochen: Das ist ein Suprafestkörper. Etwas, das sich der Klassifizierung der Aggregatszustände von Materie – fest, flüssig und gasförmig – entzieht. Theoretisch wurden Suprafestkörper schon vor 60 Jahren vorhergesagt. Vor einem Jahr waren wir endlich in der Lage, diesen Zustand wirklich zu beobachten. Etwas derart Paradoxes, das sich nicht mit unserer alltäglichen Erfahrung erklären lässt, kann man nur im Bereich der Quantenphysik beobachten – es ist fast poetisch, aber gleichzeitig messbar.

Etwas derart Paradoxes, das sich nicht mit unserer alltäglichen Erfahrung erklären lässt, kann man nur im Bereich der Quantenphysik beobachten – es ist fast poetisch, aber gleichzeitig messbar.

Herr Aspelmeyer, Sie haben einen optischen Resonator mitgenommen, den sie in Experimenten zur Laserkühlung von kleinen Glaskügelchen einsetzen. Aktuell arbeiten Sie daran, ein Nanoteilchen aus Milliarden von Atomen an zwei Orten gleichzeitig zu positionieren – welche Fragen ergeben sich dabei?

Markus Aspelmeyer: Das, was Sie beschreiben, ist das langfristige Ziel unserer Forschung. Die eigentliche Frage, die uns dazu motiviert, ist, wie Quantenphysik und Gravitation zusammenhängen. Unser heutiges Verständnis über die fundamentalen Gesetze der Schwerkraft verdanken wir im Wesentlichen Albert Einstein. Er hat die beste Theorie entworfen, die wir bisher über die Gravitation haben: die allgemeine Relativitätstheorie. Aber was passiert, wenn Quantenphänomene dazwischenfunken? Was ist zum Beispiel das Gravitationsfeld eines Objekts, das sich so verhält, als ob es an zwei Orten gleichzeitig ist?

Wie lässt sich so etwas physikalisch noch begreifen?

Aspelmeyer: Die bestehenden Gesetze der Gravitation reichen nicht aus, um das zu beschreiben. Wir wollen deswegen im Experiment testen, ob für die Gravitation eine Quantenbeschreibung erforderlich ist. Dazu zwingen wir Objekte wie ein Nanoteilchen mit Laserkühltechniken, sich gemäß den Gesetzen der Quantenphysik zu verhalten. Allerdings sind diese Teilchen noch zu klein, um ein messbares Gravitationsfeld zu erzeugen. Deswegen müssen die Quantenteilchen in der Zukunft noch schwerer werden und wir müssen Gravitationskräfte noch besser messen können. Derzeit halten wir immerhin den Weltrekord für die kleinste jemals gemessene Gravitationskraft: Ausgeübt von einer zwei Millimeter großen Goldkugel!

Derzeit halten wir immerhin den Weltrekord für die kleinste jemals gemessene Gravitationskraft: Ausgeübt von einer zwei Millimeter großen Goldkugel!

Was haben quantenphysikalischen Anwendungen mit Grundlagenforschung zu tun?

Aspelmeyer: Alles. Es gibt keine technologische Innovation ohne das Fundament der Grundlagenforschung. Es ist wichtig, dass die Gesellschaft um die Rolle der Grundlagenforschung für Innovationen weiß. Aber es ist auch wichtig, dass wir in der Grundlagenforschung sehen, dass das, was wir tun, eine Wirkung haben kann.

Ferlaino: Wir stellen quasi die Hardware der Hochtechnologie zur Verfügung – manchmal beabsichtigt, manchmal ohne es zu wissen. Ein Beispiel: Wer hätte vorhersagen können, dass man durch die Abkühlung von Atomen nahe dem absoluten Nullpunkt, und damit dem Eintritt in den quantenmechanischen Bereich, ultrapräzise Atomuhren erzeugen kann, die heute essentiell für das GPS-System in unserem Smartphone sind. Oder gehen wir in die Zeit von Albert Einstein zurück: Niemand konnte vorhersagen, dass seine Überlegungen zu Lichtquanten die Grundlage für die Entdeckung des Lasers sein werden, den wir heute auch in CD- und DVD-Playern einsetzen.

Wir stellen quasi die Hardware der Hochtechnologie zur Verfügung – manchmal beabsichtigt, manchmal ohne es zu wissen.

Welchen Platz nimmt der Zufall in Ihrer Forschung ein?

Ferlaino: Für die Quantenphysik ist der Zufall etwas sehr Wichtiges: Er ist ein Glücksfall. Wir sind Experimentator/innen. Wenn wir im Labor Dinge beobachten, die keinen Sinn zu ergeben scheinen, müssen wir unterscheiden: Handelt es sich um einen technischen Fehler? Oder haben wir eine potenzielle neue Entdeckung vor uns?

Welche quantenphysikalischen Durchbrüche erwarten Sie in der näheren Zukunft?

Ferlaino: Es gibt noch eine Menge zu entdecken. Etwa, wie man ein einzelnes Teilchen nicht nur verstehen, sondern kontrollieren und einsetzen kann. Der Fortschritt geht sehr schnell voran und die wissenschaftlichen Instrumente, die wir jetzt zur Verfügung haben, sind im Vergleich zu vor 30 Jahren erstaunlich.

Für die Quantenphysik ist der Zufall etwas sehr Wichtiges: Er ist ein Glücksfall.

Aspelmeyer: Es gibt zwei Arten von Durchbrüchen. Den unerwarteten, der aus heiterem Himmel eine neue Entdeckung bringt. Und den erwarteten Durchbruch, der eine bislang offene Frage beantwortet. Ich hoffe ganz klar auf den ersten. Etwas, das so überraschend ist, dass wir das, was wir über die Natur wissen, völlig neu denken müssen.

 

AUF EINEN BLICK

Markus Aspelmeyerstudierte an der Universität München Philosophie und Physik. Nach seiner Promotion 2002 im Bereich der Festkörperphysik wechselte er in das Gebiet der Quantenoptik. Zwischen 2005 und 2009 war er als Wissenschaftler am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW in Wien tätig. Seit 2009 ist er Professor für Physik an der Universität Wien, seit 2019 Direktor am Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW.

Francesca Ferlaino promovierte 2004 am European Laboratory for Nonlinear Spectroscopy in Florenz. 2006 kam sie als Gastwissenschaftlerin ans Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW nach Innsbruck. Seit 2014 ist sie Professorin für Atomphysik an der Universität Innsbruck und wissenschaftliche Direktorin am Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW.

Zum Weiterlesen:

Weitere Interviews mit Wissenschaftler/innen der ÖAW zur Frage, wie sich Herausforderungen der Gegenwart mithilfe der Forschung bewältigen lassen, sind im aktuellen Jahresbericht der Akademie zu finden.

ÖAW-Jahresbericht 2020

 


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