Erstes Bild von Licht als Teilchen und als Welle

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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.

„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)