Von der Quantenmechanik zur Quantentechnologie

1926–21.Jhdt

„Selbst wenn ich damit Recht haben sollte, weiß ich nicht, ob meine Art des Vorgehens wirklich die beste und einfachste ist. Aber, kurz gesagt, es ist meine. [...] Und ich könnte keinen besseren oder sichereren Weg zu unserem Ziel finden als meinen eigenen Zickzackweg.“
Erwin Schrödinger

Erwin Schrödinger fand 1926 eine grundlegende Formel der Quantenmechanik, die sogenannte „Schrödingergleichung“. Dafür erhielt er 1933 den Nobelpreis für Physik. Unzählige technische Anwendungen beruhen auf der Quantenmechanik: der Laser, das Elektronenmikroskop, die Halbleitertechnik und Quantenverschlüsselungsverfahren.

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Erwin Schrödinger, Physiker

Schrödinger (1887–1961) studierte in Wien und kehrte nach dem Zweiten Weltkrieg dorthin als Nobelpreisträger und Professor zurück.

Schrödinger wurde in Wien geboren und studierte zwischen 1906 und 1910 Physik und Mathematik an der Universität Wien, wo er sich auch habilitierte. Nach dem Ersten Weltkrieg wurde er 1920 nach Deutschland berufen, trat dann aber 1922 einen Lehrstuhl für Physik an der Universität Zürich an, den schon Albert Einstein inne gehabt hatte. In Zürich entwickelte Schrödinger seine bahnbrechenden Forschungen zur Wellenmechanik, die er 1926 veröffentlichte. Der Artikel, der die sogenannte Schrödingergleichung enthielt, wurde 1933 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

1927 wurde Schrödinger der Nachfolger von Max Planck an der Universität Berlin. Als Gegner des Nationalsozialismus verließ er Berlin 1933 und ging nach England. 1936 kehrte er nach Österreich auf eine Professur für Physik an der Universität Graz zurück. Nach dem „Anschluß“ versuchte er sich zuerst mit den Nationalsozialisten zu arrangieren, wurde aber im Sommer 1938 wegen „politischer Unzuverlässigkeit“ entlassen. Er ging nach Irland und kehrte erst 1956 nach Österreich an das Institut für Theoretische Physik der Universität Wien zurück. Im selben Jahr war er auch der erste Empfänger des Erwin-Schrödinger-Preises der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

1926

In einem mehrteiligen Artikel in den Annalen der Physik veröffentlichte Schrödinger eine Gleichung der Wellenmechanik, die zur Grundlage der Quantenmechanik wurde. Er ging dabei von der Theorie der Materiewellen von Louis de Broglie sowie von der Jakobi-Hamilton Theorie der klassischen Mechanik aus. Schrödingers Differentialgleichung beschreibt die zeitliche Dynamik des quantenmechanischen Zustandes eines Systems. Nach der Gleichung ist die zeitliche Veränderung eines Zustandes durch seine Energie bestimmt. In der Gleichung tritt die Energie als Hamiltonoperator auf, der auf den Zustand angewandt wird. Für den Artikel von 1926 erhielt Schrödinger den Nobelpreis für Physik.

Schrödingers Gleichung bildet die Grundlage fast aller praktischen Anwendungen der Quantenmechanik. Viele Eigenschaften der Atome und Moleküle werden durch Schrödingers quantenmechanische Gleichung erklärt.

Der Wert und die Wirkung seiner Formel

Die Quantenmechanik und Schrödingers Gleichung sind die Grundlage einer Vielzahl von technischen Anwendungen, vom Elektronenmikroskop bis zum Mikrochip. Schon vor dem Zweiten Weltkrieg entwickelte der deutsche Physiker Ernst Ruska auf der Grundlage der Quantenmechanik ein Elektronenmikroskop, das eine bis dahin unerreichte Auflösung erlaubte. Dieses Mikroskop wird heute in zahlreichen physikalischen und biologischen Forschungen eingesetzt. Ruska erhielt dafür 1986 den Nobelpreis. Elektronen- und Raster-Tunnel-Mikroskope können heute die Struktur der Materie bis zum letzten Atom abbilden und dabei die quantenmechanische Wellennatur der Materie ausnutzen. Auch die Kernspin- und Positronenemissionstomographen konnten in die Medizin nur Einzug halten, weil die originär quantenphysikalischen Phänomene des Spins und der Antimaterie entdeckt und verstanden wurden.

Eine weitere technische Errungenschaft, die auf der Quantenmechanik beruht, ist der Laser, der 1960 vom amerikanischen Physiker Theodore Maiman entwickelt wurde. Der Laser hat Anwendungen von der Lithographie bis zur Medizin, sowie in Kassenscannern, in Spielzeugen und der globalen glasfaserbasierten Kommunikation im Internet. Auch die Halbleiter-Mikrochips in Computern beruhen auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik. Neue Quantensensoren für Trägheitskräfte (Gravitation, Rotation), äußere Felder oder Eigenschaften von Nanopartikeln sowie zahlreiche neue Ideen zur besonders sicheren oder hochparallelisierten Informationsverarbeitung mittels Quantenverschlüsselung sind für die neuesten Computertechnologien von großer Bedeutung.

2001 erschien in der Zeitschrift Scientific American ein Artikel, der mit folgenden Worten auf ein Jahrhundert der Quantenmechanik zurückblickte:
„Heute beruhen um die 30 % des amerikanischen Nationalprodukts auf Erfindungen, die durch die Quantenmechanik möglich wurden, von den Halbleitern in Computerchips bis zu den Lasern in den CD-Playern und den Magnetresonanztomographen in Spitälern und noch vielem mehr.“

„Schrödingers Grundlagen zur Quantenphysik prägen unsere heutige Wissenschaft: Physik, Chemie, Nanotechnologie und Teile der Biologie sind ohne sie nicht mehr denkbar. Die Wirtschaftsleistung moderner Nationen basiert substantiell auf einer Technologie, deren Basis nur mittels Quanten-physik richtig beschrieben werden kann.“
Markus Arndt, Professor für Quantenanophysik an der Universität Wien

Christoph Limbeck-Lilienau, Dieter Schweizer

Zuletzt aktualisiert am : 19.03.2017 - 11:36

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