Doppelspaltexperiment in zeitlicher Dimension durchgeführt

Forschenden ist es gelungen, eine neue Variante des bekannten Doppelspaltexperiments durchzuführen. Hierbei wurden die Spalten, durch die das Licht geschossen wird, nicht räumlich, sondern zeitlich realisiert.

Das klassische Doppelspaltexperiment

Beim Doppelspaltexperiment, das auf Thomas Young zurückgeht, handelt es sich um eines der bekanntesten Experimente der Physik. Mit diesem konnte gezeigt werden, dass das Licht Welleneigenschaften aufweist und nicht – wie von Isaac Newton angenommen – schlicht aus Teilchen besteht. Später diente es der Modifizierung der Wellenhypothese und damit verbunden als Grundlage der Quantenmechanik.

Beim Doppelspaltexperiment wird monochromatisches Licht, also Licht, das nur eine Wellenlänge aufweist, durch ein Material geschossen, das zwei senkrechte Spalte aufweist. Hinter diesem befindet sich ein Detektorschirm. Das Licht, das Welleneigenschaften aufweist, spaltet sich aufgrund des Doppelspalts. Die so gebrochenen Lichtwellen interferieren nach dem Spalt und erzeugen auf dem Detektorschirm ein typisches Interferenzmuster. Bestünde das Licht aus Teilchen im Sinne Newtons, könnte es nicht zu diesem Interferenzphänomen kommen.

Das Doppelspaltexperiment und die Quantenmechanik

Albert Einstein erhielt im Jahr 1921 den Nobelpreis für die Erklärung des photoelektrischen Effekts, der darin besteht, dass Photonen derart mit Materie wechselwirken, dass sie Elektronen aus ihrer Bindung lösen können. Der photoelektrische Effekt und seine Erklärung sind mit der Wellenhypothese des Lichts, die durch das Doppelspaltexperiment bewiesen schien, unvereinbar: Photonen sind Lichtteilchen. Licht ins Dunkel bringt eine Variation des Doppelspaltexperiments, bei dem versucht wird, einzelne Photonen durch den Doppelspalt zu schießen. Hier zeigt sich auf dem Detektorschirm ein Ergebnis, das wie eine Mischung der zu erwartenden Resultate bei Lichtwellen und Lichtteilchen anmutet. Zunächst sind auf dem Detektorschirm klar abgrenzbare einzelne Punkte zu sehen. Wird das Experiment über einen langen Zeitraum hinweg durchgeführt, zeigt sich auf ihm ein Interferenzmuster, das sich jedoch aus diesen klar abgrenzbaren Punkten bildet.

Noch interessanter wird es, wenn versucht wird, den Weg der Photonen zu ermitteln. Hierzu wird an einem der beiden Spalte ein Gerät angebracht, dass die durch ihn sich bewegenden Photonen polarisiert. So ist auf dem Detektorschirm klar zu erkennen, welchen Weg die Photonen genommen haben: Polarisierte sind durch Spalt A, nicht-polarisierte durch Spalt B gekommen. Wird dieses Gerät genutzt, erscheinen auf dem Detektorschirm auch nach langer Zeit keine Interferenzmuster. Stattdessen ergibt sich ein Bild, das nur dann zu erwarten ist, wenn Licht aus Teilchen, nicht aber aus Wellen besteht. Dieser Effekt wird als Beobachtungseffekt bezeichnet: Beginnen wir, auf die beschriebene Weise zu messen, verändert das Verhalten der Teilchen sich.

Erklärbar sind die Resultate weder mit Newtons Annahme, Licht bestehe aus Teilchen, noch mit der Annahme, Licht setze sich aus Wellen zusammen. Beide Annahmen, die sich auszuschließen scheinen, lassen sich mit den Ergebnissen sowohl stützen als auch schwächen. Das wiederum führte zu einem Paradigmenwechsel, der die Grundlage der Quantenmechanik darstellt. Licht weist sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften auf. In manchen Experimenten zeigen sich beide, in anderen hingegen nur eine der beiden Eigenschaften. Objekte, die einen derartigen Welle-Teilchen-Dualismus aufweisen, werden als Quantenobjekte bezeichnet. Was genau diese Quantenobjekte ausmacht und was der Welle-Teilchen-Dualismus letztlich bedeutet, ist bisher unklar. Mit genau diesen Fragen beschäftigt sich die Quantenmechanik. Ohne das Doppelspaltexperiment, das die Existenz von Quantenobjekten erstmals nachgewiesen hat, wäre sie folglich nicht denkbar.

Doppelspaltexperiment mit zeitlichen Schlitzen

Forschenden ist es nun gelungen, eine weitere Variante des Doppelspaltexperiments durchzuführen. Bei dieser wird nicht mit räumlich, sondern mit zeitlich differierenden Schlitzen gearbeitet. Konkret wurde ein Material genutzt, das sich sehr schnell modifizieren lässt. Mit diesem wurden wenige Femtosekunden hintereinander zwei Schlitze erzeugt. Diese befanden sich also nicht räumlich neben-, sondern zeitlich nacheinander. Verwendet wurde dafür das Halbleitermaterial Indiumzinnoxid.

Das Ergebnis des Experiments ist interessant. Anders als beim räumlichen Doppelspaltexperiment wurde nicht die Verteilung der Strahlung verändert, sondern ihre Frequenz. Das Licht wird durch die zeitlich hintereinander sich öffnenden Schlitze in verschiedene Wellenlängen aufgefächert. Die neuen Frequenzen lagen dabei bis zu zehn Bandbreiten von der ursprünglichen Frequenz entfernt. Da die Frequenz des Lichts seine Farbe determiniert, bedeutet all das auch einen Farbwechsel des Lichts durch den temporalen Doppelspalt. Der zeitliche Abstand der beiden Spalte entscheidet dabei darüber, wie breit die Auffächerung der Frequenz ausfällt, während die Form des Spalts die Anzahl der sichtbaren Interferenzbänder auf dem Detektorschirm bestimmt.

Für die Praxis relevant sind diese neuen Forschungsergebnisse zunächst nicht. Sie könnten jedoch die Grundlage für die Weiterentwicklung von optischen Quantencomputern und darauf basierender Datenübertragung bilden.