Forscher “fotografieren” zum ersten Mal Teilchenwelle

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Verschiedene Experimente mit Licht zeigen immer entweder die Qualitäten von Licht oder anderen Wellen als Teilchen oder als Welle. Ein Exeriment in Lausanne zeigt nun beide Eigenschaften. Ein Durchbruch für die Entwicklung von Quanten-Computern?

Mit diesem 'Mikroskop' glückte die Aufnahme der Teilchenwelle. (Bild: Fabrizio Carbone/EPFL)
Mit diesem ‘Mikroskop’ glückte die Aufnahme der Teilchenwelle. (Bild: Fabrizio Carbone/EPFL)

Es war Albert Einstein, der im Jahr 1905 den Grundstein für das Konzept des Photons legte. Damals beschrieb das Genie das als photoelektrischen Effekt. So stellte er fest, dass wenn Licht auf eine metallische Oberfläche trifft, Photoelektronen emittiert wurden. Das aber, so Einstein damals sei nur möglich, wenn das Licht aus Teilchen bestünde. Heute spricht man dabei vom Welle-Teilchen-Dualismus.

So lässt sich beispielsweise mit dem Doppelspalt-Experiment die Wellen-Natur des Lichts zeigen. Bislang aber fehlte ein Experiment, das es möglich machte, beide Verhaltensmuster gleichzeitig zu beobachten.

Genau das aber haben nun Forscher an der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) unter der Führung von Fabrizio Carbone möglich gemacht. Dabei verwendeten die Forscher eine neue Technologie, die Elektronen nutzt, um “Licht” abzubilden.

“Dieses Exeriment zeigt, dass wir – zum ersten Mal überhaupt – in der Lage sind, Quanten-Mechanik und dessen paradoxe Natur direkt filmen können”, erklärt Carbone.

In einem großen Mikroskop haben die Forsche mit einem speziellen Apparat mit einem Laser einen dünnen Nano-Draht beschossen. Dieser hat geladene Partikel enthalten. Der Laser hat diese Partikek aufgeladen und sie damit zum Vibrieren gebracht. Dadurch wurden entlang des Drahtes Lichtwellen in entgegen gesetzte Richtungen emittiert. An dem Punkt, an dem sie aufeinander trafen entstand eine dritte, stehende Welle.

Mit diesem Gerät waren die Forscher des EPFL in der Lage Licht als Welle und als Teilchen zu "fotografieren". (Bild: Fabrizio Carbone/EPFL)
Mit diesem Gerät waren die Forscher des EPFL in der Lage Licht als Welle und als Teilchen zu “fotografieren”. (Bild: Fabrizio Carbone/EPFL)

Diese stehende Welle wiederum wurde mit Elektronen beschossen. Als diese Elektronen auf die Welle trafen, wurden sie entweder abgebremst oder beschleunigt. Mit einem speziellen Mikroskop konnten die Wissenschaftler aus den Bewegungen der Elektronen ein Bild dieser stehenden Welle gewinnen.

Dabei zeigt das Bild aber auch, dass diese stehende Welle auch aus Partikeln besteht. Denn wenn die Elektronen auf diese Partikel treffen, wird Energie in Form von Quanten ausgetauscht. Dieser Energieaustausch wiederum lässt sich an der Änderung der Geschwindigkeit der Elektronen ablesen und belegt gleichzeitig auch die Teilchen-Natur der stehenden Welle.

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So sieht sie aus, die Teilchenwelle, aus der Licht besteht. Das Bild enstand, indem Elektronen mit einer stehenden Lichtwelle Forscher interagierten. Je nachdem ob diese beschleunigt oder abgebremst wurden konnten die Forscher feststellen wo die Welle verläuft. Der bunte Verlauf von links nach rechts zeigt Licht als eine Welle, die einzelnen Erhebungen sind ein Hinweis auf Partikel. (Bild: Fabrizio Carbone/EPFL)

Carbone erklärt, dass das auch auf die Zukunft der Informationsverarbeitung einen großen Einfluss haben könnte. “Wenn wir in der Lage sind, Quanten-Phänomene im Nanometer-Bereich abzubilden und zu kontrollieren, öffnet das neue Wege für das Quanten-Computing.”

Das vollständige Paper “Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field” gibt es online bei dem Journal Nature Communications.

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