Quantenmechanik: Foto zeigt Licht als Wellen und Teilchen

Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) haben Licht in seinen beiden Eigenschaften in einem Bild festgehalten. Es ist das erste Mal, dass das gelungen ist. Licht kann sich sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhalten. Das hat Albert Einstein Anfang des 20. Jahrhunderts herausgefunden. Bislang konnte aber entweder das eine oder das andere Verhalten beobachtet werden.

Die EPFL-Forscher um Fabrizio Carbone haben ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich Licht gleichzeitig als Teilchen und als Welle abbilden lässt. Dazu schießen sie zunächst einen Laserpuls auf einen Nanodraht aus Metall. Das Licht breitet sich als Welle nach beiden Seiten entlang des Drahtes aus. Die Wellen erreichen jeweils das Ende und laufen zur Mitte zurück. Dort treffen sie aufeinander und vereinigen sich zu einer stehenden Welle.

Elektronenstrom wird an Welle vorbeigeschossen

Dann schießen sie einen Strom von Elektronen dicht an dem Draht vorbei - nah genug, dass Elektronen und Photonen interagieren. Das ermöglicht es den Forschern, die Lichtwelle aufzunehmen - ähnlich, wie wenn man Farbe ins Wasser gießt, um Strömungsverläufe festzuhalten. Wenn die Elektronen mit der Welle interagieren, werden sie - abhängig von der Wellenhöhe - beschleunigt oder abgebremst. Ein ultraschnelles Transmissions-Elektronenmikroskop erfasst, wo es zu Geschwindigkeitsänderungen kommt. So konnten die Forscher den Wellencharakter des Lichts abbilden.

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Welle und Teilchen: Doppelnatur des Lichts auf einem Bild eingefangen (Bild: Fabrizio Carbone/EPFL)

Wenn die Elektronen an der Welle vorbeifliegen, werden sie nicht nur in ihrer Geschwindigkeit beeinflusst. Sie interagieren auch mit den Photonen: Elektronen und Photonen tauschen Energie aus. Das zeigt den Teilchenaspekt des Lichts.

"Dieses Experiment zeigt zum ersten Mal überhaupt, dass wir Quantenmechanik - und ihre paradoxe Natur - direkt filmen können", sagt Carbone. "Quantenphänomene in diesem Nanometerbereich abzubilden und zu kontrollieren, eröffnet neue Wege bei Quantencomputern." Die Forscher beschreiben ihre Entdeckung in der Fachzeitschrift Nature Communications.