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Laser, MRT & Co

Diese Quantentechnologien der ersten Generation nutzen wir schon heute

Die Grundlagen der Quantenphysik legten Wissenschaftler*innen wie Max Planck, Albert Einstein, Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als sie sich mit dem Verhalten und den Wechselwirkungen kleinster Teilchen befassten: Mit Atomen und ihren Bausteinen. Auf Basis dieser Kenntnisse sind seit den 1950 Jahren Quantentechnologien der so genannten ersten Generation entstanden. Sie sind aus unserem Alltag kaum wegzudenken. Einige Beispiele.

 

1. Laser

Mit Lasern kommen wir Tag für Tag in Berührung: Beim Scannen an der Supermarktkasse oder beim Drucken mit dem Laserdrucker beispielsweise. Auch in der Medizin (etwa in der Augenheilkunde oder der Chirurgie) und in der Industrie (etwa zum Schweißen, Schneiden, Löten, Beschichten oder Abtragen von Materialien) spielen sie eine große Rolle.

Ihre Fähigkeit, sehr stark gebündeltes Licht mit einer sehr scharfen Wellenlänge (oder auch Farbe) und außerordentlich hohen Lichtintensitäten zu erzeugen, macht sie zu einem vielseitigen und nahezu universell einsetzbaren Werkzeug. Es sind Effekte der Quantenphysik, die es möglich machen, Laser zu bauen. Dazu gehören: Exakt definierte Energieniveaus der Elektronen in den Atomen des Lasermaterials. Elektronen, die von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres wechseln und dabei Licht(teilchen) oder Photonen abstrahlen, deren Energie genau der Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus entspricht. Die stimulierte Emission, bei der die emittierten Photonen Elektronen in anderen Atomen ebenfalls zum Übergang zwischen den Energieniveaus anregen und damit weitere Photonen erzeugen – mit gleicher Energie und gleicher Bewegungsrichtung. Und: Spiegel an den beiden Enden des Lasers, die die Photonen reflektieren, den Prozess der stimulierten Emission so immer weiter verstärken und einen scharf gebündelten Lichtstrahl entstehen lassen.  

 

2. Atomuhren

Auch in einer Atomuhr werden Elektronen in Atomen in höhere Energieniveaus angeregt. – In der Regel verwendet man dabei Caesium-Atome. Die Anregung erfolgt mit einem Mikrowellensender. Er erzeugt Strahlung, deren Frequenz möglichst exakt zum Übergang zwischen zwei Energieniveaus passt. 

Die Übergangsfrequenz liegt bei 9.192.631.770 Hz. Nach 9.192.631.770 Schwingungen ist also genau eine Sekunde vergangen. Der Mikrowellensender wird über einen Rückkopplungsmechanismus genau auf die Übergangsfrequenz des Caesium-Atoms abgestimmt – und damit exakt die Zeit gemessen.

Atomuhren werden zum Beispiel bei der Positionsbestimmung mittels GPS genutzt.  Das GPS-Empfangsgerät bestimmt seine Position aus der Laufzeit der von Satelliten ausgesendeten Signale. Da das Signal mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, entstehen schon durch Unterschiede von winzigen Sekundenbruchteilen in der Laufzeit große Unterschiede in der Positionsbestimmung. Der Einsatz sehr genauer Uhren ist also wichtig.

 

3. Halbleiter

Die Entwicklung von Computern, wie wir sie heute kennen, wäre ohne den Einsatz von Halbleitern nicht möglich gewesen. Sie sind der Grundstoff für Transistoren und andere elektronische Bauelemente, die, integriert in Mikrochips, Computer zum Rechnen bringen. Zentrale Eigenschaft aller Halbleitermaterialien ist, dass sich ihre Leitfähigkeit ändert, wenn man Fremdatome – die Dotierstoffe – einbaut. Dies ist auf das quantenphysikalische Prinzip der Energieniveaus von Elektronen zurückzuführen. Durch Einbau von wenigen Fremdatomen in den Halbleiter ändern sich die Energieniveaus, das Material wird leitfähig und ein Strom kann fließen. Je nach Art und Anzahl der eingebauten Fremdatome – entstehen Halbleiter mit unterschiedlicher Leitfähigkeit. Sie sind das Material, aus dem Bauelemente wie elektronische Schalter, Speicher, Verstärker und auch Mikrochips produziert werden. 

 

4. Magnetresonanztomographie (MRT)

Die MRT basiert auf dem quantenmechanischen Effekt des Kernspin. Manche Atomkerne haben einen  Eigendrehimpuls, auch Spin genannt, den man sich wie eine kreiselartige Bewegung vorstellen kann. Dieser Spin ist verbunden mit einem sehr kleinen magnetischen Moment, die Atomkerne sind also winzige Magnete. Unser Körper besteht zu fast 70 Prozent aus Wasser, dessen Moleküle  aus Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen zusammengesetzt sind. Die Wasserstoffatome werden bei der MRT durch wechselnde Magnetfelder so manipuliert, dass sie selbst wechselnde Magnetfelder erzeugen – die wiederum gemessen werden können. Da unterschiedliche Gewebearten in unserem Körper unterschiedlich viel Wasser enthalten, können sie in der Bildgebung unterschieden werden.