Science
04.03.2015

Erstes Foto von Welle-Teilchen-Dualismus bei Licht

Forschern ist es gelungen, ein Experiment durchzuführen, das eine gleichzeitige Darstellung von Licht als Welle und als Teilchen erlaubt.

Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne haben ein Bild veröffentlicht, auf dem Licht sowohl in Wellen als auch in Teilchenform dargestellt ist. Dabei handelt es sich nicht um eine Photoshop-Kreation sondern um das Ergebnis eines ausgeklügelten Experiments: Die Forscher beschießen einen metallischen Nanodraht mit Laserpulsen. Dadurch werden die Atome im Draht angeregt, wodurch Energie in Form von Licht in beiden Richtungen entlang des Drahtes fließt. So entsteht eine neue, scheinbar stehende Licht-Welle durch die Überlagerung der zwei in entgegengesetzten Richtungen reisenden Lichtwellen. Diese Welle beleuchtet das Experiment gleichzeitig für die Forscher. Um die Welle selbst sichtbar zu machen, haben die Wissenschaftler den Draht zusätzlich mit Elektronen beschossen.

Einige dieser Elektronen treten in Wechselwirkung mit den Photonen der stehenden Lichtwelle. Mit einem hochsensiblen Mikroskop können winzige Schwankungen in der Geschwindigkeit der Elektronen, die durch dieses Wechselwirkung entstehen, sichtbar gemacht werden, wodurch ein Bild der stehenden Welle entsteht. Gleichzeitig dient der Elektronenbeschuss auch dazu, die Lichtteilchen sichtbar zu machen. Die Elektronen treffen in der Nähe der stehenden Welle auf die Photonen des ausgesendeten Lichts. Dadurch ändert sich wie beschrieben die Geschwindigkeit der Elektronen.

Diese Änderung kann als ein Austausch von Energiepaketen, oder Quanten, erklärt werden. Durch die exakte Lokalisierung der Geschwindigkeitsänderungen können die Forscher die Position der Photonen ermitteln. Das Ergebnis ist das Abbildung, die oben zu sehen ist und die Licht als Welle und als Teilchen zeigt. Um ein Foto im strengen Sinn handelt es sich dabei nicht, vielmehr ist es eine Visualisierung der Daten des Experiments aus der Schweiz. "Dieses Experiment zeigt zum ersten Mal überhaupt, dass wir quantenmechanische Vorgänge direkt filmen können, trotz ihrer paradoxen Natur", sagt der Forscher Fabrizio Carbone in einer Aussendung der Eidgenössischen Hochschule. Durch das Ergebnis erhoffen sich die Wissenschaftler neue Möglichkeiten für Quantencomputer. "Die Fähigkeit, Quantenphänomene auf der Nanometer-Skala direkt abbilden und kontrollieren zu können, eröffnet hier ganz neue Möglichkeiten", sagt Carbone.