15.10.2018

„Welleneffekt“ erstmals im Experiment bestätigt

Wissenschaftler der ÖAW, der TU Wien und der Universität Innsbruck haben einen Welleneffekt nachgewiesen, der zu Messfehlern bei der optischen Positionsbestimmung von Objekten führen kann. Die nun in der Zeitschrift „Nature Physics“ veröffentlichte Arbeit könnte Konsequenzen für die Lichtmikroskopie und die optische Astronomie haben, aber auch bei der Positionsbestimmung mit Hilfe von Schall, Radar- oder Gravitationswellen eine Rolle spielen.

Mit modernen optischen Bildgebungsverfahren lassen sich heute selbst Nanoobjekte gut vermessen. Diese Techniken werden im Labor zum Beispiel auch dazu verwendet, die räumliche Positionierung von Atomen in einem Quantenexperiment zu bestimmen.

„Wir wollen die Position unserer Quantenbits sehr genau kennen, damit wir diese mit Lasern manipulieren und messen können“, erklärt Gabriel Araneda vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. In einer Kooperation von Physikern der TU Wien um Arno Rauschenbeutel (seit kurzem Humboldt-Professor an der Humboldt-Universität in Berlin) und Forschern der Universität Innsbruck sowie des Innsbrucker Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) um Rainer Blatt wurde nun nachgewiesen, dass es zu einem systematischen Messfehler kommen kann, wenn die Position eines Objekts bestimmt wird, das elliptisch polarisiertes Licht aussendet. Darüber berichten die Wissenschaftler nun im Fachjournal „Nature Physics“.

„Die elliptische Polarisation erzeugt eine spiralförmige Wellenfront des Lichts, die leicht schief auf die Abbildungsoptik fällt. Dadurch entsteht der Eindruck, die Quelle des Lichts liege etwas abseits seiner tatsächlichen Position“, erklärt Yves Colombe aus dem Team von Rainer Blatt. Relevant könnte dies zum Beispiel in der biomedizinischen Forschung sein, wo zur Bestimmung von biologischen Strukturen fluoreszierende Proteine oder Nanoteilchen als Marker verwendet werden. Der nun nachgewiesene Effekt würde hier zu einem verzerrten Abbild der tatsächlichen Strukturen führen.

Jede Art von Wellen könnte dieses Verhalten zeigen

Bereits vor über 80 Jahren hat der Physiker Charles G. Darwin, ein Enkel des britischen Naturforschers Charles Darwin, diesen Effekt vorhergesagt. Mehrere theoretische Arbeiten hatten dessen Vermutung inzwischen theoretisch untermauert. Nun ist es erstmals gelungen, den Welleneffekt im Experiment eindeutig nachzuweisen, und das gleich zweimal: Die Innsbrucker Physiker ermittelten die Position eines einzelnen Bariumatoms, das in einer Ionenfalle gefangen war, durch Einzelphotonenemission. Die Wiener Physiker bestimmten die Position eines winzigen, etwa 100 Nanometer großen Goldkügelchens, in dem sie das von ihm gestreute Licht analysierten. In beiden Fällen zeigte sich eine Differenz zwischen der beobachteten und der tatsächlichen Position der Teilchen.

„Die Abweichung ist von der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes, was in vielen Anwendungen einem erheblichen Messfehler entsprechen würde“, sagt Stefan Walser aus dem Team von Arno Rauschenbeutel. „Die hochauflösende Lichtmikroskopie zum Beispiel ist heute bereits weit in den Nanometerbereich vorgedrungen, während dieser Effekt zu Fehlern von mehreren 100 Nanometern führen kann.“ Dass dieser grundlegende systematische Fehler in diesen Anwendungen eine Rolle spielt, halten die Wissenschaftler für sehr wahrscheinlich, muss aber erst noch in eigenen Studien belegt werden. Die Forscher gehen auch davon aus, dass sich dieser Effekt nicht nur bei Lichtquellen zeigt, sondern dass zum Beispiel auch Radar- oder Sonarmessungen davon betroffen sind. Selbst bei der Positionsbestimmung von astronomischen Objekten mit Hilfe von Gravitationswellen könnte dieser Effekt eine Rolle spielen.