Forscher “fotografieren” zum ersten Mal Teilchenwelle

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.

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.

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.