Es gibt Experimente, die es trotz ihrer Einfachheit schaffen, die Wissenschaft innerhalb kürzester Zeit auf den Kopf zu stellen. Das Doppelspaltexperiment ist ein solches. Wenn Licht auf zwei schmale, parallele Spalte trifft, wird es an diesen gebeugt und erzeugt auf einem dahinter angebrachten Beobachtungsschirm ein Interferenzmuster aus dunklen und hellen Streifen. Den Versuch führte der englische Physiker Thomas Young erstmals im Jahr 1801 durch, und sein Ergebnis galt als Nachweis dafür, dass Licht sich wie eine Welle verhält.

Als andere Wissenschaftler einige Jahrzehnte später statt Lichtstrahlen ganze Teilchen wie Elektronen, Atome oder sogar Moleküle durch die zwei dünnen Spalte schickten, mussten sie überrascht feststellen: Auch diese verhalten sich beim Durchqueren wie Wellen. Denn obwohl der gesunde Menschenverstand erwarten lässt, dass die einzelnen Objekte entweder durch die eine oder die andere Öffnung fliegen und sich hinter den Schlitzen an zwei Stellen sammeln, bildet sich stattdessen ein Interferenzmuster ganz ähnlich dem, wie es Young beobachtet hatte. Der so genannte Welle-Teilchen-Dualismus von Quantenobjekten hat unsere Anschauung der Welt ver­ändert. Er ist eine der Schlüsselaussagen der Quantenmechanik und das Doppelspaltexperiment heute einer der berühmtesten Versuche der Wissenschaftsgeschichte.

Nun berichten Physiker des Imperial College London im Fachmagazin »Nature Physics« von einem ähnlichen Experiment, das unsere Intuition erneut auf die Probe stellt und den Weg ebnen könnte zu einer völlig neuen Klasse von Materialien. Das neunköpfige Team um Erstautor Romain Tirole ahmte Youngs Doppelspaltexperiment nach – anstatt die Schlitze allerdings räumlich voneinander zu trennen, lenkten die Forscher das Licht durch zeitlich getrennte Öffnungen. Sie nutzten dazu eine Art Spiegel, der sich extrem schnell ein- und ausschalten lässt. Dabei stellten sie fest: Auch in der zeitlichen Dimension gibt es einen Interferenzeffekt. Man sieht jedoch keine hellen und dunklen Streifen, vielmehr ändert das Licht seine Frequenz und damit seine Farbe. Obwohl diese Tatsache bereits bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgt, ist es das erste Mal, dass Wissenschaftlern der experimentelle Nachweis dieses Kunststücks gelungen ist. Und noch dazu lieferte der Versuch ein unerwartetes Ergebnis.

»Im Young-Experiment tritt das Licht unter einem Winkel ein und kommt in vielen verschiedenen Winkeln wieder heraus«, erklärt Koautor Stefan Maier. »In unserem Experiment tritt das Licht mit einer Frequenz ein und mit vielen Frequenzen wieder heraus.« Maier ist Inhaber des Lee-Lucas-Lehrstuhls für Experimentalphysik am Imperial College London und Direktor der School of Physics and Astronomy an der Monash University in Melbourne. Seit mehr als 20 Jahren forscht er unter anderem auf dem Gebiet der Nanophotonik und Optoelektronik. Sein besonderes Interesse gilt so genannten Metamaterialien.

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Werkstoffe mit optischen, elektrischen oder magnetischen Eigenschaften, die so in der Natur nicht vorkommen. Sie beeinflussen elektromagnetische Strahlung in einer Weise, wie es die Wissenschaft noch vor einiger Zeit für unmöglich gehalten hat. Ein spannendes Beispiel für ihre Anwendung sind Tarnkappen, mit denen sich Objekte so gut wie unsichtbar machen lassen.

Dabei wird Licht mit Hilfe von Nanostrukturen so geschickt um einen Gegenstand herumgelenkt, dass es scheint, als wäre er gar nicht da. Der englische Physiker John Pendry, der an dem Experiment mit den Zeitschlitzen beteiligt war, schlug 2006 diesen Mechanismus in einem viel beachteten Artikel in »Science« vor. Damit das funktioniert, müssen die mikroskopischen Strukturen des Materials kleiner sein als die Wellenlänge des sicht­baren Lichts. »Wir wollen nun aber Metamaterialien schaffen, deren Eigenschaften sich nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich ändern«, sagt Maier. Manch ein Wissenschaftler spricht bereits von vierdimensionalen Materialien. Offenbar, so suggeriert das moderne Doppelspaltexperiment, ist Indium-Zinn-Oxid ein geeigneter Kandidat für derlei Verrücktheiten.

Oszillationen in der Frequenz

Um das zu zeigen, beschossen die Wissenschaftler eine 40 Nanometer dünne Schicht des Materials, eingefasst von je einer Schicht aus Glas und Gold, mit einem Infrarotlaser. Unter normalen Bedingungen ist Indium-Zinn-Oxid transparent für infrarotes Licht, das heißt, solche Lichtstrahlen passieren es einfach ungehindert. Das Team nutzte jedoch einen zweiten Laser, der die optischen Eigenschaften für kurze Zeit veränderte: Licht, das währenddessen ankommt, wird reflektiert. Das halbleitende Material, das auch für Smartphone-Displays verwendet wird, ändert nämlich seinen Brechungsindex, wenn ein elektrisches Feld (verursacht etwa durch einen Laser) angelegt wird. Dieser so genannte Kerr-Effekt ist ein Spezialfall des allgemeinen elektrooptischen Effekts und hängt von der Intensität des Lichts ab. Als die Physiker zwei ultrakurze Pulse im Abstand von einigen hundert Femtosekunden abfeuerten – und auf ­diese Weise den Spiegel zweimal kurz hintereinander einschalteten –, konnten sie feststellen, dass sich die Wellenform des reflektierten Laserlichts und damit die Farbe änderte. Mehr noch, sie registrierten sogar ein ganzes Farbspektrum. Und je enger der zeitliche Abstand der Pulse, desto mehr Frequenzoszillationen wurden sichtbar. Sie hatten das Licht durch »Zeitschlitze« geschickt. Wie ist das möglich?

In der klassischen Version des Doppelspaltexperiments kommt es zu zwei physikalischen Phänomenen: Beugung und Interferenz. Beugung wird verursacht, weil das Licht durch einen extrem schmalen Spalt geführt wird – damit ist die Position der Lichtteilchen, die Quantenobjekte sind, festgelegt. Die heisenbergsche Unschärferelation verlangt, dass dafür die Bewegungsrichtung nicht genau vorhersagbar ist: Die Lichtwelle fächert sich also hinter dem Spalt auf. Gleiches passiert am benachbarten Spalt, so dass beide Wellen hinter dem Doppelspalt interferieren. Wie Wellen auf einer Wasseroberfläche verstärken und schwächen sich die Bewegungen ab, die Minima und Maxima des Interferenzmusters verteilen sich in einem bestimmten Winkel zur Lichtquelle auf dem Schirm.

Durch die Zeitschlitze in dem neuen Experiment kommt es ebenfalls zu Beugung und Interferenz, die sich allerdings etwas anders äußern. Auch hier greift nun eine Version der heisenbergschen Unschärfe: Wenn man eine zeitliche Komponente eines Systems eng eingrenzt – so wie es die Zeitschlitze tun –, wird dessen Energie umso ungenauer. Die Energie einer Lichtwelle ist von der Frequenz abhängig: Damit wird durch die »Beugung« am Zeitschlitz die Frequenz des Lichts verändert und aufgefächert. Da es sich um einen doppelten Zeitschlitz handelt, kann die Lichtwelle mit einer zweiten interferieren, wodurch sich wieder ein Interferenzmuster ergibt, jedoch eines im Frequenzspektrum. Manche Farben verstärken sich, andere löschen sich aus. Statt auf einem lichtempfindlichen Schirm lässt sich das Frequenzmuster mit einem Spektrometer sichtbar machen.

Andrea Alù zeigt sich von dem Experiment an sich nicht sonderlich beeindruckt. »Das Vorgehen der Kollegen in London ist zunächst einmal recht simpel«, sagt der italienisch-amerikanische Physiker und Ingenieur, der an der City University of New York forscht. »Dass Licht seine Farbe ändert, wenn es sich durch solche Zeitschlitze quetscht, entspricht den theoretischen Vorhersagen.« So hatte sich der mexikanische Physiker Marcos Moshinsky bereits im Jahr 1952 ausführlich Gedanken über die zeitliche Beugung von Materiewellen gemacht. In den 1990er Jahren konnte ein französisches Team um Pascal Szriftgiser schließlich einige wenige dieser Oszillationen mit Cäsiumatomen beobachten.

Tatsächlich sei eine andere Erkenntnis viel entscheidender für die gesamte Community, erklärt Alù: Die Geschwindigkeit, mit der sich die optischen Eigenschaften des Materials änderten, war deutlich höher, als die ­Wissenschaftler erwartet hatten. Die dünne Indium-Zinn-Oxid-Schicht wurde innerhalb weniger Femtosekunden nach dem Auftreffen des Laserpulses zu einem Reflektor und der Effekt klang fast ebenso schnell auch wieder ab. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. Somit reagierte das Material gut 100-mal schneller als vorher gedacht. »Das wiederum ist ein beeindruckendes Ergebnis», sagt Alù. »Die Trennschärfe der Zeitschlitze ist wirklich enorm.«

»Es gab Hinweise aus früheren Experimenten, dass Indium-Zinn-Oxid schnell reagiert, aber so schnell – das hat uns umgehauen«Stefan Maier, Physiker

Bislang kannte man noch kein Material, bei dem sich der Brechungsindex derart schnell verändern lässt, ­weder künstlich erzeugt noch natürlich vorkommend. »Es gab Hinweise aus früheren Experimenten, dass Indium-Zinn-Oxid schnell reagiert, aber so schnell – das hat uns umgehauen«, sagt Stefan Maier. Analog zu räumlich veränderten Metamaterialien, bei denen die Strukturen kleiner sein müssen als die Wellenlänge des Lichts, muss bei zeitlich veränderten Metamaterialien die Modulationsgeschwindigkeit kleiner sein als die Schwingungsperiode der Photonen, damit man einen Interferenzeffekt sieht. »Das hinzubekommen ist brutal schwierig«, sagt Maier. Denn die Schwingungsperiode von nahem Infrarotlicht, dem langwelligsten gerade noch sichtbaren Licht, liegt im Femtosekundenbereich. Zur Veranschaulichung: Hätte die gesamte Geschichte des Universums vom Urknall bis heute eine Sekunde gedauert, wäre eine Lichtoszillation gerade einmal äquivalent zur Dauer eines Tags. Und die Veränderung des Brechungsindex muss demzufolge noch schneller vonstattengehen. »Unser Doppelspaltexperiment ist die erste Stufe auf dem Weg hin zu extrem komplexen zeitlichen Modulationen der optischen Eigenschaften von Materialien«, sagt Maier.

Diese Eigenschaften hängen damit zusammen, wie sich Licht in Materie ausbreitet. Licht oder allgemeiner gesprochen Strahlung besteht aus Wellen, in denen gleichzeitig ein elektrisches und ein magnetisches Feld schwingen. Trifft eine solche Welle auf ein Material, versetzen die Felder seine Elektronen in rhythmische Bewegung. Die wirken auf die Felder zurück und beeinflussen dadurch, in welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich die Strahlung in dem Material ausbreitet, wie sich ihre Frequenz verändert und ob ein Teil von ihr reflektiert wird. Wie dies geschieht, hängt von zwei für jedes Material charakteristischen Eigenschaften ab: der Durchlässigkeit für elektrische Felder, der Permittivität ε, und der Durchlässigkeit für magnetische Felder, der Permeabilität µ. Will man nun die Beschaffenheit eines Stoffs beeinflussen, kann man die chemische Zusammensetzung anpassen – indem man die Struktur der Atome oder Moleküle verändert. Oder aber es werden ganz bestimmte geometrische Strukturen in das Material eingebracht, die mit den elektromagnetischen Wellen wechselwirken und Atome nachahmen.

Berechnungen mit Licht

Im Fall von Indium-Zinn-Oxid bringen die Fachleute keine geometrischen Strukturen ein. Stattdessen regen sie die Atome gezielt mit Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge an, wodurch sich der Brechungsindex abrupt ändert. Indium-Zinn-Oxid ist ein so genanntes Epsilon-nahe-null-Material, das heißt, es kommt zu starken nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkungen wie dem Kerr-Effekt.

Die im Experiment beobachtete Feinsteuerung des Lichts ist eines der vielen Versprechungen von zeitlich veränderlichen Metamaterialien. »Eine so schnelle Schaltfähigkeit könnte Bauelemente ermöglichen, die Signale in der Zeit reflektieren – das optische Analogon zum Rückwärtsabspielen eines Musikstücks«, sagt Andrea Alù. Mit anderen Worten: Das betreffende Material erfährt eine so plötzliche Veränderung seiner Eigenschaften, dass die Lichtwelle in der Zeit zurückgeworfen wird und sich die Frequenz der Welle verändert.

Statt eines Gesichts würde man in einem derartigen Zeitspiegel den Hinterkopf sehen. Zudem würden blonde Haare beispielsweise blau und ein grüner Pulli rot erscheinen. Das macht zeitlich veränderliche Metamaterialien attraktiv als optische Schalter für die Signalverarbeitung und die kabellose Kommunikation oder auch als Komponenten für optische Computer. Mit Licht zu rechnen ist energieeffizienter und ermöglicht ganz andere Geschwindigkeiten als die elektronische Datenverarbeitung.

Eine echte Reflexion in der Zeit sei den Physikern in ihrem Experiment allerdings nicht gelungen, merkt Alù an. Die Lichtwellen seien nach wie vor im Raum, nicht in der Zeit zurückgeworfen worden. Der beobachtete Inter­fe­renz­­effekt hänge lediglich mit der extrem schnellen Reak­tions­­zeit des Indium-Zinn-Oxids zusammen. Die Änderung des Reflexionskoeffizienten selbst sei dagegen zu schwach gewesen und habe nur im Bereich einiger Prozentpunkte gelegen. »So wie ein räumlicher Spiegel nahezu das gesamte Licht zurückwirft, muss ein zeitlicher ebenfalls stark reflexiv sein«, erklärt er. Die Herausforderung sei nun vor allem, den Effekt auf ein größeres Volumen zu übertragen, statt nur eine sehr dünne Schicht zu verwenden. Erst dann könne man eine Frequenzumwandlung von breitbandigen elektromagnetischen Wellen realisieren. »Doch das Material scheint sehr viel versprechend.«

»Unser Experiment gibt Aufschluss über die grundlegende Natur des Lichts und dient gleichzeitig als Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Materialien, die Licht in Raum und Zeit präzise kontrollieren können«Stefan Maier, Physiker

Und auch Stefan Maier ist sich sicher: »Unser Experiment gibt Aufschluss über die grundlegende Natur des Lichts und dient gleichzeitig als Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Materialien, die Licht in Raum und Zeit präzise kontrollieren können.« Denn der beobachtete Effekt habe nicht nur Auswirkungen auf das gesamte elektromagnetische Spektrum – von Röntgen- und UV-Strahlung bis hin zu Mikro- und Rundfunkwellen –, sondern könne selbst auf mechanische Wellen übertragbar sein. Einige Fachleute arbeiten bereits daran, den Effekt mit Schallwellen zu reproduzieren. Das Team um Romain Tirole und Forschungsgruppenleiter Riccardo Sapienza will das Phänomen demnächst in einem Zeitkristall untersuchen. Das ist ein Quantensystem, bei dem sich nicht wie bei einem konventio­nellen Kristall die Atome oder Moleküle in einem festen räumlichen Abstand wiederholen, sondern dessen optische Eigenschaften sich periodisch mit der Zeit verändern. »Den zeitlichen Freiheitsgrad zu erschließen, ermöglicht es uns, von Eigenschaften zu träumen, die bei statischen Metamaterialien unmöglich sind«, schwärmt Sapienza.

Obwohl sich einige der im Experiment beobachteten Effekte mit gängigen Modellen weitgehend erklären lassen, ist der genaue Mechanismus, warum Indium-Zinn-Oxid derart schnell auf die Laserpulse reagiert, noch unklar. »Bislang war im Bereich der Metamaterialien die Theorie dem Experiment immer weit voraus«, sagt Stefan Maier. So seien die für den Tarnkappeneffekt nötigen Nanostrukturen bereits 1968 postuliert und in den 1990er Jahren ausgearbeitet worden – lange bevor diese sich tatsächlich realisieren ließen. Nun hinke jedoch die Theorie hinterher. Um gezielt nach weiteren derartigen Stoffen suchen zu können, braucht es ein neues, fundamentales Verständnis zeitlich veränderlicher Metamaterialien.