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

Physiker des Imperiums haben das berühmte Doppelspaltexperiment nachgebaut, das zeigte, dass sich Licht eher zeitlich als räumlich wie Teilchen und Wellen 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 zeigten jedoch, dass sich Licht tatsächlich sowohl als Welle als auch als Teilchen verhält – was seine Quantennatur offenbart.

Diese Experimente hatten einen tiefgreifenden Einfluss auf die Quantenphysik und enthüllten die duale Teilchen- und Wellennatur nicht nur von Licht, sondern auch von anderen „Teilchen“, einschließlich Elektronen, Neutronen und ganzen Atomen.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Physikern des Imperial College London das Experiment unter Verwendung von „Schlitzen“ in der Zeit statt im Raum durchgeführt. Das erreichten sie, indem sie Licht durch ein Material schossen, das seine Eigenschaften in Femtosekunden (billiardstel Sekunden) ändert und nur zu bestimmten, schnell aufeinander folgenden Zeiten Licht durchlässt.

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

Details des Experiments werden heute (3. April) in veröffentlicht Naturphysik.

Beim ursprünglichen Doppelschlitz-Aufbau wurde Licht auf einen undurchsichtigen Schirm mit zwei dünnen parallelen Schlitzen gerichtet. Hinter dem Schirm war ein Detektor für das durchfallende Licht.

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. Wo sich Wellenspitzen treffen, verstärken sie sich gegenseitig, aber wo sich eine Spitze und ein Tal treffen, heben sie sich gegenseitig auf. Dadurch entsteht auf dem Detektor ein Streifenmuster aus Bereichen mit mehr Licht und weniger Licht.

Licht kann auch in „Partikel“ namens Photonen aufgeteilt 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, tauchte das Interferenzmuster immer noch auf, als würde sich das Photon in zwei Teile teilen und durch beide Schlitze wandern.

In der klassischen Version des Experiments ändert das aus den physikalischen Schlitzen austretende Licht seine Richtung, sodass das Interferenzmuster in das Winkelprofil des Lichts eingeschrieben ist. Stattdessen verändern die Zeitschlitze im neuen Experiment die Frequenz des Lichts, was seine Farbe verändert. Dadurch wurden Lichtfarben erzeugt, die sich gegenseitig interferieren und bestimmte Farben verstärken und aufheben, um ein Interferenzmuster zu erzeugen.

Das Material, das das Team verwendete, war ein dünner Film aus Indium-Zinn-Oxid, aus dem die meisten Handybildschirme bestehen. Das Reflexionsvermögen des Materials wurde von Lasern in ultraschnellen Zeitskalen geändert, wodurch die „Schlitze“ für Licht erzeugt wurden. Das Material reagierte viel schneller als vom Team erwartet auf die Lasersteuerung und veränderte sein Reflexionsvermögen in wenigen Femtosekunden.

Das Material ist ein Metamaterial – eines, das so konstruiert ist, dass es Eigenschaften hat, die in der Natur nicht zu finden sind. Eine solch feine Kontrolle des Lichts ist eines der Versprechen von Metamaterialien und könnte in Verbindung mit räumlicher Kontrolle neue Technologien und sogar Analoga zur Untersuchung grundlegender physikalischer Phänomene wie schwarzer Löcher schaffen.

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

Als nächstes möchte das Team das Phänomen in einem „Zeitkristall“ untersuchen, der einem atomaren Kristall entspricht, dessen optische Eigenschaften jedoch mit der Zeit variieren.

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