Ein berühmtes Spinnexperiment der Physik zeigt, dass Licht mit seiner eigenen Vergangenheit interferiert: ScienceAlert

1801 führte der britische Wissenschaftler Thomas Young ein „Doppelspalt“-Experiment durch, das in die Geschichte der Physik einging: Indem er Licht durch zwei Schlitze in einem Material schickte, zeigte er, dass sich Licht wie eine Welle verhält, die gleichzeitig verschiedene Wege nimmt, nur um zu Fehlzündungen zu führen auf vorhersehbare Weise. Einmal wiedervereint.

Seit diesem bahnbrechenden Moment wurde das Experiment wiederholt, um zu zeigen, dass elektromagnetische Strahlung wellen- und teilchenähnliches Verhalten zeigt. Mit anderen Worten, Licht kann sich wie Murmeln verhalten, die eine Klippe hinunterrollen, und wie Wellen in einem Teich, je nachdem, wie man es misst.

Es sind nicht nur Photonen, die sich so verhalten. Wissenschaftler haben ähnliche Aufbauten verwendet, um zu zeigen, dass sich Elektronen, Neutronen und ganze Atome gleich verhalten, und damit ein grundlegendes Prinzip der Quantenphysik als wahrscheinlichkeitsbasierte Theorie etabliert.

Wissenschaftler haben Youngs Experiment nun mit einer modernen Wendung neu formuliert. Anstatt ein Paar Schlitze im Raum zu trennen, verwendeten sie „Zeitschlitze“, die durch schnelle Änderungen des Reflexionsvermögens eines Materials erzeugt wurden, und testeten die Fähigkeit einer Lichtwelle, seine Vergangenheit und Zukunft zu stören.

„Unser Experiment enthüllt mehr über die grundlegende Natur des Lichts und dient gleichzeitig als Ausgangspunkt für die Schaffung der ultimativen Materialien, die das Licht sowohl räumlich als auch zeitlich präzise steuern können.“ sagen Physiker Riccardo Sapienza vom Imperial College London im Vereinigten Königreich.

Sapienza und seine Kollegen verwendeten eine dünne Schicht Indiumzinnoxid, ein Material, das in Smartphone-Displays verwendet wird. Die Laserpulse veränderten ihr Reflexionsvermögen, um zwei unterschiedliche Perioden zu erzeugen, in denen das Licht gemessen werden konnte, wenn es auf das Material traf, wodurch unterschiedliche Zeitpfade bereitgestellt wurden, in denen eine einzelne Lichtwelle mit sich selbst interferieren könnte.

Diese Zeitunterschiede veränderten die Frequenz des Lichts, als es auf das Material traf, wobei die Spannungen zwischen den verschiedenen Wellen eher unterschiedliche Farben als Unterschiede in der Helligkeit erzeugten. Wissenschaftler haben dieses Interferenzmuster untersucht, um Beobachtungen über das wellenartige Verhalten von Licht zu machen.

„Das Doppelzeitschlitz-Experiment öffnet die Tür zu einem völlig neuen Spektrometer, das in der Lage ist, die zeitliche Struktur eines Lichtpulses aufzulösen“, sagen Physiker John Pendry vom Imperial College London.

Interessanterweise öffneten sich die Risse viel schneller als von den Wissenschaftlern erwartet – zwischen 1 und 10 Femtosekunden (Viertelmillionstelsekunde). Das Experimentieren jenseits der theoretischen Modellierung legt nahe, dass ein Teil dieser Modellierung überdacht werden muss: Materialien interagieren nicht unbedingt genau so mit Licht, wie Wissenschaftler dachten (z. B. wenn sich Dichte oder Geschwindigkeit ändern).

Die Existenz eines solchen Materials, das die Art und Weise, wie es mit Licht interagiert, in sehr winzigen Zeitskalen verändern kann, könnte nützlich sein, um neue Technologien zu entwickeln und in die Geheimnisse der Quantenphysik einzutauchen.

In größeren Maßstäben wird es auch bei der Untersuchung von Phänomenen wie Schwarzen Löchern nützlich sein. Als nächstes will das Team mit „Zeitentwicklung“ an einem anderen Material experimentieren, dem Atomkristall, in dem die Atome in einem strengen Muster angeordnet sind – was zu schnellen Verbesserungen in der Elektronik führen könnte.

„Das Konzept der Zeitkristalle hat das Potenzial, zu ultraschnellen, parallelen optischen Schaltern zu führen“, sagen Physiker Stefan Meyer vom Imperial College London.

Forschung veröffentlicht in Natur Physik.