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Quantenmechanik: Wasser tunnelt im Edelstein

Auf Quantenebene können sich reale Objekte an mehreren Orten zugleich aufhalten. Wassermoleküle nutzen in Beryllkristallen diesen Tunneleffekt zu ihren Gunsten. Forscher sprechen sogar von einem neuen Aggregatzustand von Wasser.
BeryllkristallLaden...

In Wassermolekülen können die Protonen tunneln und sich mithin an mehreren Orten zugleich aufhalten. Das hat nun eine Forschergruppe um Alexander Kolesnikov vom Oak Ridge National Laboratory in den USA an Beryllkristallen experimentell nachgewiesen. Der Tunneleffekt ist eine der Absonderlichkeiten der Quantenphysik: Kleinste Objekte sind im Stande, Barrieren zu überwinden, obwohl ihre Energie dafür eigentlich nicht ausreicht. Das liegt daran, dass sie gleichzeitig Teilchen- und Welleneigenschaften haben und dadurch eine gewisse Unschärfe in ihren physikalischen Eigenschaften besitzen. So sind beispielsweise Elektronen nie ganz genau zu lokalisieren. In bestimmten Molekülkonfigurationen sind sie gar über den Raum "verschmiert" – Physiker sprechen von Delokalisation. Ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeit fällt hinter einer Energiebarriere deshalb nicht abrupt auf null, so dass eine gewisse Chance besteht, das Objekt auf der anderen Seite der Barriere zu finden. In Beryllkristallen machen sich auch die Wasserstoffatome von eingeschlossenen Wassermolekülen diese Delokalisierung zu Nutze.

Beryll, besser bekannt in seinen Varianten Smaragd oder Aquamarin, ist ein Kristall, dessen Atome sich zu einem wabenförmigen Gitter anordnen. Dieses Gitter hat Hohlräume, die gerade genug Platz für ein Wassermolekül bieten. Frühere Experimente mit Terahertzstrahlung hatten gezeigt, dass das in Beryll eingeschlossene Wasser ganz spezielle spektrokopische Eigenschaften besitzt. Man vermutete eine ungewöhnliche Konfiguration der Wassermoleküle in den engen Hohlräumen als Ursache. Kolesnikov und seine Kollegen beschossen deshalb einen solchen wasserhaltigen Kristall mit Neutronen. Sie fanden heraus, dass die beiden Wasserstoffatome der eingeschlossenen H2O-Moleküle nicht mehr an ihrem festen Platz im Molekül waren, sondern in sechs verschiedene Konfigurationen über die gesamte Wabe "verschmiert", also delokalisiert, so dass sich mittels des Tunneleffekts im Beryllkristall ringförmige Wassermoleküle ausbildeten. Die Forscher sprechen sogar von einem neuen Aggregatzustand von Wasser. Andere Experten sind aber skeptischer und sehen lediglich die zu erwartenden Effekt der Quantenmechanik am Werk.

18/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18/2016

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