Innovative Nanoteilchen, Optik und Materiewellen-Technologie lassen neue Grenzen für die Quantenwissenschaft erkennen
Dieses FET-finanzierte Projekt war, wie Projektkoordinator Prof. Markus Arndt der Universität Wien erklärte, hinsichtlich dessen Umfang und wissenschaftlicher Ziele äußerst ehrgeizig. Es handelte sich hierbei um das weltweit erste Team, das die Quantendelokalisation komplexer Moleküle und Nanoteilchen beobachtete, bei denen sich einzelne Objekte aus Dutzenden bis Hunderten Atomen mit starker Bindung zusammensetzen können und dennoch über Mikrometerskalen und Zeiten von 10 ms delokalisiert werden. Neben der tiefen theoretischen Verankerung hatte NANOQUESTFIT ebenfalls einen stark Technologie orientierten Fokus. Dies beinhaltet die Entwicklung neuer Methoden bei der chemischen Synthese und der Nanofertigung zur Herstellung angepasster Makromoleküle und Nanoteilchen, deren Strahlen in einem Hochvakuum bei geringer Geschwindigkeit hergestellt – und mit einer Einzelmolekülspektroskopie erfasst – werden können. Die Quantentechnologien wurden ebenfalls durch die Entwicklung ultradünner Materiewellen-Strahlenteiler, die bis auf die einschichtige Graphenebene hinabreichen, sowie die Erforschung reflektierender Beugungsgitter vorangebracht. NANOQUESTFIT zeigte zudem, dass ein einzelnes absorbiertes Photon für ein einzelnes Makromolekül als kohärenter Strahlenteiler fungieren kann. „Genau genommen ist unser Projekt ebenfalls der Grundstein für neu entstehende Realisierungen im Bereich der Molekül-Metrologie, bei der sich Eigenschaften von Molekülen und Nanopartikeln mit einer hohen Sensitivität messen lassen, da Materiewellen die Bildung von Quanteninterferenz-Randzonen als nanometrischen Maßstab erlauben“, kommentierte Prof. Arndt. Die Erforschung der wellenoptischen Beschaffenheit Im Zuge von NANOQUESTFIT ist basierend auf der Tatsache, dass das grundlegendste Gesetz der nichtrelativistischen Quantenphysik, die Schrödingergleichung, vorhersagt, dass sich bei geeigneter Vorbereitung und ohne weitere Einflussnahme auch massive Objekte wie wellenähnliche Entitäten ausbreiten können und über makroskopische Raumregionen delokalisieren, die wellenoptische Beschaffenheit von Materie untersucht worden. Dies wird gemeinsprachlich so beschrieben, dass sich Teilchen jeweils gleichzeitig an mehreren Orten befinden. Über die quantenoptischen Elemente wird die quantenmechanische Wellenfunktion für jedes einzelne eingehende Molekül oder jeden eingehenden Cluster kohärent unterteilt. Das heißt, es findet eine Unterteilung mit einem festen Phasenverhältnis in verschiedene Pfade statt, die im Anschluss über einen anderen (Satz von) Strahlenteiler(n) rekombiniert werden können. „Im Rahmen von NANOQUESTFIT haben wir in dieser Hinsicht gute Fortschritte erzielt. Kollegen haben zu diesem Zweck neue nanomechanische Elemente entwickelt. Diese wurden mit winzigen Durchgangslöchern mit einer Breite von teilweise lediglich 50 nm geformt und in Abständen von 100 nm angeordnet“ so Prof. Arndt weiter. „Diese erwiesen sich alle als nützliche Materiewellen-Strahlenteiler. Ich denke die Community wird ebenfalls bestrebt sein, die Leistung von Beugungsmasken zu überdenken. Diese sind kompakt, robust und erfordern keinerlei Energie. Für kompakte Atominterferometer versprechen diese dennoch zahlreiche Vorteile.“ Die weiteren Schritte von NANOQUEST Prof. Arndt bestätigte, dass das nächste konkrete Ziel in der Erfassung von Materiewellen besteht, räumte jedoch ein, dass die Technologie noch der Verbesserung bedarf. Das Projektteam plant ferner in Zusammenarbeit mit einem international bewährten Laserunternehmen und über eine Ausweitung der Community auf die Materialwissenschaften und die Cluster-Physik die Entwicklung der Methodik. Die Projektpartner besprechen zudem zusätzliche Ideen, die einer Vermarktung weitaus näher sind: es werden lokale Anforderungen und Aspekte der täglichen Forschung berücksichtigt, um die Arbeit in einem Laserlabor oder mit Massenspektrometern zu vereinfachen. „Dies ist für viele derartige Projekte eher typisch, man stößt nebenbei auf eine Reihe von Ideen, die sich unabhängig von dem ursprünglichen Projekt für andere als nützlich erweisen können“, sagt Prof. Arndt. „Aber die um Materiewellen erweiterte Molekül-/Cluster-/Nanopartikel-Metrologie steht auf der Aufgabenliste weit oben und wird stark gefördert.“
Schlüsselbegriffe
NANOQUESTFIT, UV-Optik, Materiewellen-Strahlenteiler , Materiewellen-Erfassung, nanomechanische Elemente, Nanoteilchen, Graphen, FET Future and Emerging Technologies
