„Leuchtende“ Premiere: Physikern ist es zum ersten Mal gelungen, das Aussehen eines einzelnen Photons zu visualisieren – der Grundeinheit allen Lichts. Dieser Durchbruch gelang mithilfe eines Modells, das die Freisetzung eines Photons aus einem Nanopartikel so präzise und umfassend wie nie zuvor rekonstruiert. Quasi als Nebeneffekt enthüllte dies auch die Form und Schwingungsmoden dieses Lichtteilchens – und wie diese Merkmale durch die Entstehungsbedingungen geprägt werden.
Photonen sind die Trägerteilchen der elektromagnetischen Strahlung und damit auch allen Lichts. Sie sind die Hauptquelle aller irdischen Energien und bilden die Grundlage für unzählige Technologien. Eine entscheidende Rolle dafür spielt die Doppelnatur des Lichts als Welle und Teilchen, aber auch die Interaktion von Licht mit Materie. Sie kommt zum Tragen, wenn energiereiche Strahlung Atome anregt und ionisiert, aber auch, wenn angeregte Atome Photonen abgeben, beispielsweise bei der Fluoreszenz.
Zu komplex für die Modelle
Aber wie sieht ein Photon aus? Welche Form hat diese Grundeinheit der elektromagnetischen Strahlung? Trotz jahrzehntelanger Erforschung des Lichts ist diese Frage bisher nur schwer zu beantworten. Der Grund dafür: „Man muss sich das Photon als fundamentale Anregung eines elektrischen Felds vorstellen“, erklärt Erstautor Benjamin Yuen von der University of Birmingham. Das Lichtteilchen ist die kleinste Einheit der Strahlung – aber extrem wandelbar.
„Die Form, Farbe und sogar die Wahrscheinlichkeit der Existenz eines Photons werden in grundlegender Weise durch die Geometrie und optischen Eigenschaften seiner Entstehungsumgebung geprägt“, erklärt Yuens Kollegin Angela Demetriadou. Um die konkrete Manifestation des Lichtteilchens zu beschreiben, müssen daher unendlich viele Faktoren mit einbezogen werden – zu viele für eine generelle und gleichzeitig präzise Charakterisierung.
Mathematischer Kniff als Lösungshelfer
Doch nun ist es Yuen und Demetriadou gelungen, dieses Problem zu umgehen – durch einen mathematischen Kniff. „Unsere Kalkulationen haben es uns ermöglicht, ein scheinbar unlösbares Problem in etwas umzuwandeln, dass wir mittels Computer berechnen können“, erklärt Yuen. Konkret vereinfachten sie das unüberschaubare Kontinuum möglicher Zustände, indem sie diese in eine Reihe diskreter Zustände zusammenfassten, diese berechneten und erst später wieder die volle Komplexität zuließen.
Dadurch konnte das Team ein Modell entwickeln, das genau beschreibt, wie ein angeregtes Nanopartikel ein Photon freisetzt und wie sich dieses im kleinsten Maßstab, aber auch in Bezug auf seine Ausbreitung verhält. „Und quasi als Nebenprodukt dieses Modells konnten wir auch ein Bild dieses Photons generieren – etwas, das in der Physik zuvor noch nie gelungen ist“, sagt Yuen.
Erster Blick auf die Form eines Photons
Das im Modell vom Nanopartikel freigesetzte Lichtteilchen hat demnach eine Form, die einer Zitrone ähnelt, und ist durch ein spezifisches Muster an Eigenschwingungen gekennzeichnet. Allerdings ist dieses erstmals visualisierte Aussehen des Lichtteilchens spezifisch nur für den untersuchten Fall, wie Yuen betont: „Die Form verändert sich je nach Umgebungsbedingungen komplett“, sagt er. Deswegen eröffnet dies auch die Chance, die Merkmale des Photons gezielt anzupassen – beispielsweise durch neue nanophotonische Technologien.
„Unsere Arbeit hilft uns, die Interaktion von Licht und Materie besser zu verstehen, aber auch, wie Licht sich im Nahen und Fernen ausbreitet“, sagt Yuen. „Damit legen wir die Grundlage, um die Licht-Materie-Interaktion für künftige Anwendungen gezielt zu beeinflussen, beispielsweise für photonische Sensoren, bessere Solarzellen oder das Quanten-Computing.“ (Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.133.203604)
Quelle: University of Birmingham
