Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt. An der TU Wien wurde eine bemerkenswerte Messmethode gefunden – sie zeigt sich als Drehwinkel.
Eins über 137: Dies ist eine der wichtigsten Zahlen in der Physik. Es ist der ungefähre Wert der sogenannten Feinstrukturkonstante – eine physikalische Größe, die in der Atom- und Teilchenphysik von herausragender Bedeutung ist.
Es gibt viele Möglichkeiten, die Feinstrukturkonstante zu messen – normalerweise wird sie indirekt gemessen, indem andere physikalische Größen gemessen und daraus die Feinstrukturkonstante berechnet werden. An der TU Wien wurde nun aber ein Experiment durchgeführt, bei dem die Feinstrukturkonstante selbst direkt gemessen werden kann – als Winkel.
1/137 – der Geheimcode des Universums
Die Feinstrukturkonstante beschreibt die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie gibt an, wie stark geladene Teilchen wie Elektronen auf elektromagnetische Felder reagieren. Wenn die Feinstrukturkonstante einen anderen Wert hätte, würde unser Universum ganz anders aussehen – Atome hätten eine andere Größe, also würde die gesamte Chemie anders funktionieren, und auch die Kernfusion in den Sternen wäre ganz anders.
Eine viel diskutierte Frage ist, ob die Feinstrukturkonstante tatsächlich konstant ist, oder ob sie ihren Wert möglicherweise über Milliarden von Jahren etwas verändert haben könnte.
Direkt messen statt rechnen
„Die meisten wichtigen physikalischen Konstanten haben eine bestimmte Einheit – zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit, die in der Einheit Meter pro Sekunde angegeben werden kann“, sagt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Bei der Feinstrukturkonstante ist das anders. Sie hat keine Einheit, sie ist einfach eine Zahl – sie ist dimensionslos.“
Üblicherweise müssen aber bei der Messung der Feinstruktur verschiedene Größen mit unterschiedlichen physikalischen Einheiten gemessen werden und aus diesen Ergebnissen wird dann auf den Wert der Feinstrukturkonstante geschlossen. „In unserem Experiment hingegen wird die Feinstrukturkonstante selbst direkt sichtbar“, sagt Andrei Pimenov.
Ein dünner Film, der das Licht dreht
Ein Laserstrahl ist linear polarisiert – das Licht schwingt genau in vertikaler Richtung. Dann trifft der Strahl auf eine nur wenige Nanometer dicke Schicht aus einem speziellen Material. Dieses Material hat die Eigenschaft, die Polarisationsrichtung des Lichts zu ändern.
„Ein Material, das die Polarisation eines Laserstrahls dreht, ist an sich nichts Ungewöhnliches. Unterschiedliche Materialien können das; je dicker die Materialschicht, desto stärker wird die Polarisation des Lasers gedreht. Aber wir haben es mit einem ganz anderen Effekt zu tun.“ hier“, erklärt Andrei Pimenov. „In unserem Fall wird die Polarisation nicht kontinuierlich gedreht – sie springt.“
Beim Durchgang durch den dünnen Film macht die Polarisationsrichtung des Lichts einen Quantensprung. Nach dem Durchgang schwingt die Lichtwelle in eine andere Richtung als zuvor. Und berechnet man die Größe dieses Sprungs, zeigt sich ein erstaunliches Ergebnis: Das Quantum dieser Winkeländerung ist genau die Feinstrukturkonstante.
„Damit haben wir direkten Zugriff auf etwas ganz Ungewöhnliches: ein Rotationsquantum“, sagt Andrei Pimenov. „Die Feinstrukturkonstante wird sofort als Winkel sichtbar.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Angewandte Physik Briefe.
Mehr Informationen:
Alexey Shuvaev et al, Universelles Rotationsmessgerät über quantenanomalen Hall-Effekt, Angewandte Physik Briefe (2022). DOI: 10.1063/5.0105159