Nachbildung des Doppelspaltexperiments, das die Wellennatur des Lichts in der Zeit statt im Raum demonstrierte

Physiker des Imperiums haben das berühmte Doppelspaltexperiment nachgebaut, das zeigte, dass sich Licht in der Zeit und nicht im Raum wie ein Teilchen und eine Welle verhält.

Das Experiment setzt auf Materialien, die ihre optischen Eigenschaften in Sekundenbruchteilen ändern können, was in neuen Technologien oder zur Erforschung grundlegender Fragen der Physik zum Einsatz kommen könnte.

Das ursprüngliche Doppelspaltexperiment, das 1801 von Thomas Young an der Royal Institution durchgeführt wurde, zeigte, dass Licht wie eine Welle wirkt. Weitere Experimente haben jedoch gezeigt, dass sich Licht tatsächlich sowohl als Welle als auch als Teilchen verhält – was seine Quantennatur offenbart.

Diese Experimente hatten tiefgreifende Auswirkungen auf die Quantenphysik, indem sie die doppelte Teilchen- und Wellennatur nicht nur von Licht, sondern auch von anderen „Teilchen“, einschließlich Elektronen, Neutronen und ganzen Atomen, enthüllten.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Physikern des Imperial College London das Experiment durchgeführt, indem es „Risse“ in der Zeit statt im Raum nutzte. Sie erreichten dies, indem sie Licht durch ein Material schossen, das seine Eigenschaften im Bruchteil einer Sekunde (vier Millionstel Sekunden) ändert und das Licht zu präzisen Zeiten in schneller Folge passieren lässt.

Der leitende Forscher Professor Riccardo Sapienza vom Imperial Department of Physics sagte: „Unser Experiment enthüllt mehr über die grundlegende Natur des Lichts und dient gleichzeitig als Ausgangspunkt für die Schaffung der ultimativen Materialien, die das Licht sowohl räumlich als auch zeitlich präzise steuern können.“

Details des Prozesses wurden heute (3. April) in veröffentlicht Natur Physik.

Beim ursprünglichen Doppelschlitz-Aufbau wurde Licht auf einen lichtundurchlässigen Schirm mit zwei dünnen parallelen Schlitzen gerichtet. Hinter dem Schirm war ein Detektor für Licht, das durch ihn hindurchging.

Um sich als Welle durch die Schlitze zu bewegen, teilt sich das Licht in zwei Wellen auf, die durch jeden Schlitz gehen. Kreuzen sich diese Wellen auf der anderen Seite wieder, „interferieren“ sie miteinander. Wenn sich Wellenberge treffen, verstärken sie sich gegenseitig, aber wenn sich Wellenberge und -täler treffen, heben sie sich gegenseitig auf. Dadurch entsteht auf dem Detektor ein Streifenmuster aus Bereichen mit mehr und weniger Licht.

Das Licht kann auch in „Partikel“ namens Photonen zerlegt werden, die aufgezeichnet werden können, wenn sie einzeln auf den Detektor treffen und allmählich das gestreifte Interferenzmuster aufbauen. Selbst wenn die Forscher jeweils nur ein Photon abfeuerten, erschien das Interferenzmuster weiterhin, als würde sich das Photon in zwei Teile teilen und durch beide Schlitze wandern.

In der klassischen Version des Experiments ändert das Licht, das aus den physikalischen Schlitzen kommt, die Richtung, sodass das Interferenzmuster in das Winkelprofil des Lichts geschrieben wird. Stattdessen verändern die Zeitschlitze im neuen Experiment die Frequenz des Lichts, das seine Farbe ändert. Dadurch entstanden Lichtfarben, die sich überlagerten und bestimmte Farben verstärkten und auslöschten, um ein Interferenzmuster zu erzeugen.

Das Material, das das Team verwendete, war ein dünner Film aus Indiumzinnoxid, aus dem die meisten Handybildschirme bestehen. Die Reflexion des Materials wurde von den Lasern in ultraschnellen Zeitskalen verändert, wodurch „Lichtschlitze“ erzeugt wurden. Das Material reagierte viel schneller, als das Team erwartet hatte, um den Laser zu steuern, und veränderte sein Reflexionsvermögen innerhalb weniger Femtosekunden.

Materie ist ein Metamaterial – konstruiert, um Eigenschaften zu haben, die in der Natur nicht zu finden sind. Eine solch präzise Kontrolle des Lichts ist eines der Versprechen von Metamaterialien und könnte in Kombination mit räumlicher Kontrolle neue Techniken und sogar Analoga zur Untersuchung grundlegender physikalischer Phänomene wie schwarzer Löcher schaffen.

Co-Autor Professor Sir John Pendry sagte: „Das Experiment mit doppelten zeitlichen Schlitzen öffnet die Tür zu einer völlig neuen Spektralanalyse, die in der Lage ist, die zeitliche Struktur eines Lichtimpulses auf der Skala einer einzelnen Strahlungsperiode aufzulösen.“

Als nächstes will das Team dieses Phänomen in einem „Zeitkristall“ untersuchen, der einem atomaren Kristall ähnelt, dessen optische Eigenschaften sich jedoch im Laufe der Zeit ändern.

Mitautor Professor Stefan Meyer sagte: „Das Konzept der Zeitkristalle hat das Potenzial, zu ausgewogenen ultraschnellen optischen Schaltern zu führen.“