Ob das Licht in unseren Wohnräumen an oder aus ist, lässt sich im Alltag ganz einfach per Griff zum Lichtschalter regulieren. Schrumpft man jedoch den Raum für das Licht auf wenige Nanometer, dominieren quantenmechanische Effekte und es ist unklar, ob Licht darin ist oder nicht. Beides kann sogar gleichzeitig der Fall sein, wie Wissenschaftler der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der Universität Bielefeld in der Zeitschrift zeigen „Naturphysik.“
„Der Nachweis dieser exotischen Zustände der Quantenphysik auf der Größenskala elektrischer Transistoren könnte bei der Entwicklung optischer Quantentechnologien zukünftiger Computerchips helfen“, erklärt der Würzburger Professor Bert Hecht. Die untersuchten Nanostrukturen wurden in seiner Gruppe hergestellt.
Die Technik unserer digitalen Welt basiert auf dem Prinzip, dass entweder ein Strom fließt oder nicht: eins oder null, an oder aus. Es existieren zwei klare Zustände. In der Quantenphysik hingegen ist es möglich, dieses Prinzip zu missachten und eine willkürliche Überlagerung der vermeintlichen Gegensätze zu erzeugen. Damit erweitern sich die Möglichkeiten der Informationsübermittlung und -verarbeitung um ein Vielfaches. Solche Überlagerungszustände sind vor allem für Lichtteilchen, sogenannte Photonen, seit langem bekannt und werden beim Nachweis von Gravitationswellen genutzt.
Quantenzustände entdeckt
Einem Team aus Physikern und Physikochemikern aus Bielefeld und Würzburg ist es nun gelungen, solche Überlagerungszustände des Lichts direkt in einer Nanostruktur nachzuweisen. Licht wird in einer Nanostruktur auf engstem Raum eingefangen und an elektronische Schwingungen gekoppelt: sogenannte Plasmonen. Dadurch kann die Energie des Lichts im Nanomaßstab festgehalten werden.
In dem Experiment in der Gruppe des Würzburger Professors Tobias Brixner untersuchten die Forscher, wie viele Photonen eines Lichtpulses an die Nanostruktur koppeln. Das Ergebnis: gleichzeitig kein Photon und drei Photonen! Brixner erklärt: „Diese Signatur nachzuweisen, war eine enorme Herausforderung. Photonen lassen sich mit empfindlichen Detektoren sehr gut nachweisen, für einzelne Photonen, die sich zudem in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand befinden, gab es in der Nanowelt jedoch keine geeigneten Methoden. “ Außerdem überdauern die gekoppelten Zustände von Photonen und Elektronen weniger als ein Millionstel einer Millionstel Sekunde und zerfallen dann wieder, sodass kaum Zeit für ihre Detektion bleibt.
Höchste räumliche und zeitliche Auflösung kombiniert
In den jetzt veröffentlichten Experimenten wurde ein spezieller Nachweis verwendet. „Die beim Zustandszerfall freigesetzte Energie reicht aus, um weitere Elektronen aus der Nanostruktur zu lösen“, erklärt Professor Walter Pfeiffer (Bielefeld), der maßgeblich an der Entwicklung des physikalischen Modells und der Interpretation der Daten beteiligt war. Die ausgelösten Elektronen konnten dann mit einem Photoemissionselektronenmikroskop und einer Auflösung von wenigen Nanometern in einem Bild festgehalten werden. Wegen der schnellen Abklingzeiten wurden Folgen von ultrakurzen Laserpulsen verwendet, um den „Fingerabdruck“ der Überlagerungszustände des Lichts zu erhalten.
Dies ist ein erster Schritt in Richtung des Ziels, den vollständigen quantenphysikalischen Zustand von gekoppelten Photonen und Elektronen direkt auf der Nanoskala zu analysieren. Ein Verfahren, das wie in der Medizin mit dem Begriff Tomographie beschrieben wird. Das Licht in den Büros und Labors der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler soll also eindeutig eingeschaltet bleiben.