Forscher fangen Doppelnatur des Lichts erstmals gleichzeitig ein Erstes Bild von Licht als Teilchen und als Welle - scinexx | Das Wissensmagazin
Anzeige
Anzeige

Forscher fangen Doppelnatur des Lichts erstmals gleichzeitig ein

Erstes Bild von Licht als Teilchen und als Welle

Abbild einer stehenden elektromagnetischen Welle auf einem Nanodraht - als Welleninterferenz und Quantelung zugleich © Fabrizio Carbone/ EPFL

Doppelnatur eingefangen: Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, beide Eigenschaften von Licht auf einmal einzufangen. Mit Hilfe eines Lasers, eines Nanodrahts und eines Elektronenstrahls bildeten sie sowohl die Teilchen- als auch die Wellennatur einer stehenden elektromagnetischen Welle ab. Dieser Durchbruch könnte auch neue quantenoptische Anwendungen ermöglichen, wie die Forscher im „Nature Communications“ berichten.

Seit Albert Einstein wissen wir, dass Licht sowohl Merkmale von Wellen als auch von Teilchen besitzt. Denn Licht besteht aus Photonen und verhält sich deshalb unter bestimmten Bedingungen wie ein Teilchenstrahl. Gleichzeitig aber breitet es sich aus wie eine Welle und zeigt beispielsweise den Effekt der Welleninterferenz. Für beide Eigenschaften gibt es experimentelle Belege – aber beide Eigenschaften gleichzeitig einzufangen, ist bisher noch nie gelungen.

Stehende Welle auf Nanodraht

Fabrizio Carbone von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFL) und seine Kollegen haben nun einen Trick genutzt, um erstmals doch einen Schnappschuss von Licht als Welle und Teilchen zugleich einzufangen. Für ihr Experiment feuerten sie einen roten Laserpuls auf einen metallischen Nanodraht. Die Energie des Lichts bringt die Metallteilchen zum Schwingen. Der elektromagnetische Energiepuls – eine sogenanntes plasmonisches Feld – „schwappt“ dabei in beiden Richtungen den Draht entlang bis zum Ende und wieder zurück.

Laser und Nanodraht erzeugten die stehende Welle, ein Elektronenstrahl im Ultrafast-TEM diente als Messhilfe. © Fabrizio Carbone/ EPFL

Treffen sich beiden Teilwellen wieder, bildet sich eine stehende Welle. Und jetzt kommt der eigentliche Trick: Die Forscher schossen einen Elektronenstrahl so nahe an dem Nanodraht vorbei, dass die Elektronen mit der stehenden Welle auf der Drahtoberfläche interagierten. Je nach Wellenhöhe wurden sie entweder beschleunigt oder leicht abgebremst. Gleichzeitig aber reagierten die Elektronen auch mit der Teilchennatur des Lichts: Sie tauschten mit den Photonen Energie aus.

Welle und Teilchen zugleich aufgenommen

Mit Hilfe eines sogenannten ultraschnellen Transmissions-Elektronenmikroskops gelang es den Forschern aufzunehmen, wo genau am Draht die Elektronen ihr Tempo veränderten – und so die Wellenform des Lichts einzufangen. Gleichzeitig ließ sich der Austausch von Energiequanten mit den Lichtteilchen messen, so dass dies bewies, dass die stehende elektromagnetische Welle auch Teilchennatur besaß.

Anzeige

„Dieses Experiment demonstriert, dass man mit der ultraschnellen Transmissions-Elektronenmikroskopie gleichzeitig die räumliche Interferenz und die Quantisierung eines solchen plasmonischen Feldes abbilden kann“, konstatieren Carbone und seine Kollegen. Das sei bedeutsam nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für zukünftige Technologien. „Denn Quantenphänomene wie dieses abbilden und kontrollieren zu können eröffnet auch einen neuen Weg zum Quantencomputer.“ (Nature Communications, 2015; doi: 10.1038/ncomms7407)

Wie man Licht als Welle und Teilchen zugleich einfängt© EPFL

(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 03.03.2015 – NPO)

Anzeige

In den Schlagzeilen

Diaschauen zum Thema

Dossiers zum Thema

Albert Einstein - Wie die Zeit relativ wurde und die vierte Dimension entstand

News des Tages

Weißer Zwerg

Beringter Weißer Zwerg gibt Rätsel auf

Optische Täuschung durch Verzögerungs-Effekt

Sport verschiebt die innere Uhr

Wie klimafreundlich ist Laborfleisch?

Alaska: Mini-Beutler lebte zwischen Dinosauriern

Bücher zum Thema

Physik ohne Ende - Eine geführte Tour von Kopernikus bis Hawking von Jörg Hüfner und Rudolf Löhken

Laser - Grundlagen und Anwendungen in Photonik, Technik, Medizin und Kunst von Dieter Bäuerle

Das Wunder des Lichts - DVD der BBC

Top-Clicks der Woche

Anzeige
Anzeige