In der sonderbaren Welt der Quanten bekommen die winzigen Objekte, wie Elektronen oder Photonen, sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften mit auf den Weg. Untersuchen lässt sich dieser Teilchen-Welle-Dualismus beispielsweise mit dem berühmten Doppelspaltexperiment. Zum ersten Mal führten Wissenschaftler dieses Experiment 1802 durch – ursprünglich allerdings, um die Wellennatur des Lichts zu beweisen.

Beim klassischen Doppelspaltexperiment gibt eine Lichtquelle einfarbiges, kohärentes Licht ab, das auf eine Blende mit zwei parallelen Spalten trifft. Durch diese Spalten treten die Lichtwellen hindurch und treffen auf einen Beobachtungsschirm, auf dem ein Interferenzmuster aus dunklen und hellen Streifen erscheint. Dieses entsteht durch die Überlagerung der beiden Teilwellen, die durch die Schlitze hindurchgetreten sind. Dieses Experiment funktioniert jedoch nicht nur mit Lichtwellen, sondern auch mit Teilchen, die entsprechend gemittelt ebenfalls Interferenzmuster erzeugen. Schon Mitte des letzten Jahrhunderts gelang es, solche Experimente mit einzelnen Photonen durchzuführen.

Festkörper für Doppelspaltversuch

Mit einzelnen massebehafteten Teilchen führten Physiker dieses Experiment allerdings erst 1989 durch – in diesem Fall mit Elektronen oder neuerdings auch mit Kohlenstoffmolekülen (C₆₀). Physiker um Klaus Ensslin von der ETH Zürich haben diese Versuchsanordnung nun auf ein Halbleitermaterial übertragen. Damit ist es ihnen erstmals gelungen, das paradigmatische Experiment der Selbst-Interferenz massebehafteter Teilchen in einem Festkörper nachzubilden.

Die Physiker nutzten eine spezielle Oberflächenbeschaffenheit im Nanometerbereich, die sie mittels lokaler Oxidation auf einer Halbleiter-Heterostruktur erzeugten. Sie erinnert an eine Landschaft aus geschwungenen Bergrücken und Tälern, die einen kleinen Hügel umgeben und in der Fachsprache als Aharonov-Bohm-Geometrie bezeichnet wird. Diese Strukturen bilden sich als Potenziallandschaft in das elektronische System unter der Oberfläche ab. Die Täler darin sind leitfähig, und so bewegen sich die Elektronen durch sie hindurch.

Eine Elektronenquelle schickt die geladenen Teilchen auf die Reise, wobei jeweils nur ein einzelnes in die Struktur gelangt. Die Elektronen fließen zunächst in einen ersten Quantenpunkt, umrunden den Hügel hin zu einem zweiten Quantenpunkt und strömen dann aus dem System ab. Sobald die Elektronen im zweiten Quantenpunkt eintreffen, werden sie in Echtzeit registriert. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik trägt nun jedes einzelne Elektron zum schließlich beobachteten Interferenzmuster bei, da es zur selben Zeit links und rechts um den Knubbel herumfließen kann.

Quantencomputer im Visier

In ihrem Versuch ermittelten die Forscher nicht direkt die Interferenzereignisse, sondern die Zahl der ankommenden Elektronen. Diese entspricht der Amplitude einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, die analog zur Intensität des Interferenzmusters einer Welle ist. "Dort, wo eine Welle höhere Intensitäten hat, ist die Wahrscheinlichkeit für das Elektron zu landen, größer", erklärt Ensslin.

Für ihn und sein Team ist besonders bewunderswert, dass ein Elektron in einem Quantenpunkt so gut kontrollierbar ist: Über gewisse Wegstrecken können sie seine Wechselwirkung mit bis zu zehn Millionen weiteren benachbarten Elektronen ausschließen. "Quantenmechanisch bedeutet dies, dass praktisch alle Freiheitsgrade unter experimenteller Kontrolle sind", berichtet der Physiker. Damit sind die Elektronen quasi handzahm.

Die extrem gute Kontrolle von einzelnen Quantenpunkten respektive der Elektronen ist eine Voraussetzung für Anwendungen in Computern, die auf quantenmechanischen Prinzipien beruhen. Heutige Computer basieren dagegen auf klassischer Physik. Ensslin sieht das Experiment deshalb als einen weiteren Schritt hin zu Systemen und Schaltkreisen, die auf quantenmechanischen Prinzipien beruhen und eventuell für einen zukünftigen Quantencomputer wichtig sein könnten.