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Quantenphysik: Pauli-Kristalle

Physiker haben erstmals einen Kristall aus Atomen erzeugt, die sich weder anziehen noch abstoßen. Die regelmäßige Struktur entsteht stattdessen durch ein grundlegendes quantenmechanisches Prinzip.
Kristalle, Mineralien und Gesteine

Richtet man zwei Photodetektoren im Abstand von einigen Metern auf einen weit entfernten Stern und registriert die einzelnen ausgesandten Photonen, macht man eine überraschende Beobachtung: Die Teilchen treffen nicht unabhängig voneinander ein, sondern tendieren dazu, gleichzeitig in beiden Detektoren anzukommen. Allerdings stammen die Lichtquanten von unterschiedlichen Punkten auf der Oberfläche eines Sterns, der einen Durchmesser von mehreren Millionen Kilometern besitzt – die Photonen können daher unmöglich miteinander wechselwirken.

Der britische Astronom Robert Hanbury-Brown (1916-2002) und sein Kollege Richard Q. Twiss (1920-2005) fanden bereits 1956 eine Erklärung für das seltsame Phänomen, die auf einem der wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik basiert: der Ununterscheidbarkeit identischer Teilchen.

In der alltäglichen Welt begegnen uns immer wieder Objekte, die wir als ununterscheidbar bezeichnen, etwa Kleidungsstücke, Pflanzen oder die Hütchen eines Hütchenspielers. Letzterer vertauscht die Objekte so schnell, dass es fast unmöglich erscheint, herauszufinden, unter welchem Hütchen am Ende die Erbse liegt. Theoretisch wäre es aber möglich, die Hütchen zu nummerieren und die Position der Erbse nachzuverfolgen. Das unterscheidet unsere gewohnte, makroskopische Welt vom Mikrokosmos.

Denn ununterscheidbare Teilchen lassen sich in der Quantenmechanik niemals differenzieren – nicht einmal theoretisch …

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  • Quellen

Brown, R. H., Twiss, R. Q.: The Question of Correlation between Photons in Coherent Light Rays. Nature 178, 1956

Gajda, M. et al.: Single-shot imaging of trapped Fermi gas. Europhysics Letters 115, 2016

Holten, M. et al.: Observation of Pauli Crystals. ArXiv: 2005.03929, 2020