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Sein Metier ist das ganz Kleine. Und dennoch lautet die Devise: Je größer, desto besser. Seit September 2004 hat V.Prof. Dr. Markus Arndt die Professur für Quantennanophysik am Institut für Experimentalphysik der Universität Wien inne. Erklärtes Ziel ist das Ausloten der Grenze zwischen Quantenphysik und Alltagswelt.

"Den Weltrekord halten wir immer noch", bemerkt der 39-jährige Physikprofessor nicht ohne Stolz. Den Weltrekord des massivsten Moleküls nämlich, an dem derzeit noch Quanteneffekte nachgewiesen werden können. 1999 kam Arndt an die Universität Wien. Der START-Preis des FWF im Jahre 2001 legte dann den Grundstein für die von ihm geleitete Arbeitsgruppe. Und bislang sind sie allen anderen um ein paar Nanometer voraus.  Störende Wechselwirkungen Bei Elektronen ist die Sache klar, sie haben Quanteneigenschaften. Bei einzelnen Atomen findet man sie auch noch, jene fundamentalen Quantenphänomene, die unserem gesunden Menschenverstand zuwiderlaufen. Bei größeren Biomolekülen zucken die PhysikerInnen dann meist schon mit den Schultern. Denn für größere Objekte verschwinden diese Effekte. Eine der Ursachen ist deren Wechselwirkung mit ihrer Umwelt. Welle-Teilchen-Dualismus im Mikrokosmos Tatsächlich weiß man bis heute nicht, wo die Grenze zum klassisch-physikalischen Weltbild liegt, ab welcher Größe die Quanteneffekte nicht mehr messbar sind und unsere Alltagserfahrung wieder Gültigkeit erlangt. Vielleicht bei Viren. Vielleicht aber auch erst bei Sandkörnern. Um dies herauszufinden, schießt Markus Arndt große Moleküle und Nanokristalle auf feine Gitter. Messen die Detektoren hinter den Gittern ein typisches Interferenzmuster, ist der Beweis erbracht: Die Teilchen zeigen Wellencharakter. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus ist eine jener schwer zu fassenden Eigenschaften dieser Objekte im Mikrokosmos.  Neuer Detektor für große Teilchen Derzeit sind Arndt und seine KollegInnen bei drei mal vier Nanometer großen Molekülen angelangt, so genannten fluorierten Kohlenwasserstoffen mit immerhin der 3000-fachen Masse eines Protons. Ein Teilerfolg hin zu noch Größerem ist den PhysikerInnen erst jetzt wieder gelungen. Ein neu entwickelter Detektor zeigt höhere räumliche Auflösung bei besserer Nachweiseffizienz bei richtig großen Molekülen.? Diese Neuerfindung von Detektoren, Teilchenquellen oder Interferometern sind auch das eigentlich Zeitaufwendige und Schwierige an seiner Arbeit, erklärt Arndt. "Das Experiment selbst dauerte etwa beim Fulleren (Anm.: fußballförmiges Kohlenstoffmolekül) nur drei Minuten, die Vorbereitung dazu zwei Jahre." Problem Teilchenquelle Ein Hauptproblem sind zurzeit aber noch die Quellen, die geeignete Molekularstrahlen mit ausreichender Teilchenzahl liefern. Dazu Prof. Arndt: "Es ist gar nicht so einfach, große Objekte isoliert in die Gasphase zu bringen. Atome kann man einfach heiß machen, dann verdampfen sie. Aber Proteine z.B. würden denaturieren oder auch fragmentieren, wenn man sie erhitzt." Um sie dennoch unbeschadet in die Gasphase zu bringen, gibt es unterschiedlichste Methoden. Keine hat sich bislang aber als voll skalierbar bis zur Größe eines Virus herausgestellt. Quellen erreichen Massenklasse kleiner Proteine Vor allem die hohe Ladung der Teilchen macht den PhysikerInnen noch zu schaffen. Für die Experimente sollten die Teilchen nämlich neutral sein. Die neuesten Experimente am Institut sind jedoch äußerst viel versprechend: Sie konnten erstmals hinreichend intensive Neutralstrahlen nachweisen ? wiederum von fluorierten Kohlenstoffen, nur diesmal mit bis zu 7000-facher Protonmasse. "Damit erreichen die Quellen nun schon die Massenklasse kleiner Proteine, wie z.B. Insulin", freut sich Arndt. "Nun müssen auch die Interferometer erst wieder verfeinert werden, um der Quantennatur dieser großen Moleküle auf den Grund zu gehen." Reine Grundlagenforschung? Und was antwortet Arndt auf die bei GrundlagenforscherInnen so beliebte Frage nach der Anwendung: Werden diese Techniken auch einmal das Labor verlassen? "Im Moment befinden wir uns noch auf dem Niveau von Spielen. Ob man jemals etwas Nützliches davon erwarten kann ? versprechen kann man es nicht", so Arndt. Aber anfangs wusste die Welt ja auch beim Laser nicht, wozu das Ding eigentlich gut sein soll, bis man ihn in CD-Player einbaute. Mögliche Anwendung: Lithographie Eine Perspektive für die Zukunft könnte die interferometrische Lithographie sein, d.h. die Erzeugung von Nanostrukturen auf Oberflächen. Derartige Verfahren haben das Potenzial zur Präparation sehr kleiner und regulärer Molekularstrukturen, die möglicherweise langfristig für die Oberflächenchemie, Nanoelektronik oder die molekulare Informationsverarbeitung von Nutzen sein können. Eine andere mögliche Anwendung wären präzisere Messungen von molekularen Eigenschaften kleinerer Biomoleküle. (ro)