Pressemitteilung vom 02.01.2026    

Neue Dimensionen der Quantenforschung: Elektronen als Schlüssel

Wissenschaftler der Universität Siegen, der Universität Bremen und der TU Wien haben ein neuartiges Verfahren entwickelt, um die Grenzen der Quantenmechanik zu testen. So lassen sich Quantenphänomene bei deutlich größeren Objekten untersuchen als bisher.

Siegen/Bremen/Wien. Was passiert, wenn man Nanopartikel mit einzelnen Elektronen beschießt? Ein Forschungsteam der Universität Siegen und der TU Wien hat darauf eine Antwort gefunden und damit einen potenziellen Weg eröffnet, Quantenphänomene bei viel größeren Objekten zu untersuchen als bisher möglich. Die Ergebnisse wurden nun im renommierten Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.

"Wir wollen verstehen, warum die Welt, die wir sehen, klassisch wirkt, obwohl die fundamentalen Gesetze der Quantenmechanik eigentlich auch für große Objekte gelten sollten", erklärt Philipp Haslinger von der TU Wien. Die Quantenmechanik beschreibt, wie Teilchen sich auf kleinster Ebene verhalten, zum Beispiel Elektronen in Atomen. Sie folgen Regeln, die unserer "normalen" Alltagserfahrung widersprechen: So können sich Teilchen zum Beispiel gleichzeitig an verschiedenen Orten befinden oder miteinander "verschränkt" sein, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Theoretisch sollten diese Gesetze auch für größere Objekte gelten. In der Praxis ist das aber schwer zu beobachten: Je größer ein Objekt ist, desto leichter wird sein Quantenzustand durch Einflüsse aus der Umgebung gestört.

Elektronen als "Quantentrigger"
Um Quantenphänomene auch bei größeren Objekten nachzuweisen, nutzt das Team einen Trick aus der Elektronenmikroskopie. In den hochempfindlichen Mikroskopen werden Elektronen verwendet, um winzige Strukturen sichtbar zu machen. Die Forschenden schlagen nun vor, Elektronen nicht nur zum Abbilden zu nutzen, sondern auch, um Nanopartikel gezielt in einen Quantenzustand zu versetzen: Trifft ein einzelnes Elektron ein Nanopartikel, so wird es an der atomaren Gitterstruktur dieses Partikels gestreut und das Partikel dabei minimal zurückgestoßen, ein Effekt, der normalerweise übersehen wird. Der Rückstoß bewirkt eine quantenmechanische Verschränkung zwischen Elektron und Partikel. Das Nanopartikel wird so in einen Überlagerungszustand versetzt, als ob es gleichzeitig an verschiedenen Orten wäre: ein Zustand, der bisher nur aus der Quantenwelt bekannt ist.

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"Man beugt das Nanoteilchen sozusagen an seinem eigenen inneren Aufbau. Viel kleiner geht es nicht", sagt Stefan Nimmrichter, Juniorprofessor an der Universität Siegen und Erstautor der Studie. Durch die winzige Struktur der eigenen, atomaren Kristallgitter können Quanteneffekte in extrem kurzer Zeit erzeugt werden, in hunderten Millionstel Sekunden. So haben störende Umwelteinflüsse kaum eine Chance, den Effekt zu zerstören. Ein einzelnes Nanopartikel könnte dadurch mehrfach verwendet werden, was völlig neue Arten von Experimenten ermöglicht. "Unser Konzept eröffnet neue Möglichkeiten für hochpräzise Experimente mit schweren Teilchen. Damit können wir grundlegende Fragen untersuchen, vielleicht sogar, ob die Gravitation selbst quantenmechanische Eigenschaften hat", sagt Autor Dennis Rätzel.

Bekannte Technik, neue Möglichkeiten
Die geplanten Experimente sollen in speziell angepassten Elektronenmikroskopen stattfinden. Diese Geräte können heute bereits einzelne Atome sichtbar machen. Künftig könnten sie noch mehr leisten: Sie könnten dazu benutzt werden, makroskopische Quantenzustände direkt herzustellen und zu messen. "Wir betreten damit wissenschaftliches Neuland und das mit einer Technik, die bereits existiert", sagt Isobel Bicket von der TU Wien. (PM)

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