Winziges Lichterspiel

News: Winziges Lichterspiel

Wenn sich Lichtwellen in bestimmter Weise überlagern, werfen sie ein Muster aus hellen und dunklen Bereichen an eine Wand. Dieses Phänomen der Interferenz ist lange bekannt und gut verstanden. Nun verwendeten Physiker ein einzelnes Atom als Lichtquelle und brachten es mit seinem gespiegelten Licht zur Interferenz - mehr noch: Sie überlagerten den gespiegelten Schein mit dem Licht eines weiteren Atoms.

Thorsten Krome

Ein Kieselstein trifft auf die spiegelglatte Oberfläche eines Sees. Sofort breiten sich Wellen in konzentrischen Kreisen vom Ort des Eintauchens aus. Ein zweiter Stein taucht kurz danach einige Meter daneben ins Wasser und löst eine ähnliche Wellenbewegung aus. Alsbald treffen die Wellenfronten aufeinander, durchdringen sich und bringen ein ganz neues Wellenmuster hervor – das Resultat von konstruktiver und destruktiver Überlagerung von Wellentälern und -bergen. Dieses Phänomen der Interferenz kennt man von allen wellenförmigen Bewegungen, so auch vom Licht. Denn dabei handelt es sich um nichts anderes als um eine elektromagnetische Welle.

Nun bedienten sich Jürgen Eschner und seine Kollegen von der Universität Innsbruck eines einzelnen Barium-Ions als Lichtquelle. Dazu hielten sie das positiv geladene Ion im elektrischen Feld einer Ionenfalle gefangen und regten es mit einem Laser zur Fluoreszenz an. Das dabei ausgesendete Licht weiteten sie mit einer Linse auf, reflektierten es an einem Spiegel und fokussierten es mit derselben Linse wieder auf den Aufenthaltsort des Ions zurück. Eine zweite Linse gegenüber der ersten bildete das reflektierte Licht zusammen mit dem Fluoreszenzlicht auf einen Detektor ab, mit dem sich die Intensität messen ließ.

Wie sich nun herausstellte, änderte sich die Helligkeit je nachdem wie der Abstand zwischen Spiegel und Barium-Ion gewählt war. Die Intensität stieg und fiel periodisch einer Sinusschwingung gleich mit größer werdendem Abstand – ein charakteristisches Zeichen von Interferenz. Gleichzeitig konnten die Forscher auch die Stärke des Fluoreszenzlichts messen, da der Spiegel halbdurchlässig war und so einen Teil des Fluoreszenzlicht zu einem zweiten Detektor passieren ließ. Auch hier konnten die Forscher das charakteristische Auf und Ab der Intensität nachweisen. Das bedeutet offenbar, dass schon die energetische Anregung der Barium-Ionen durch das reflektierte Licht beeinflusst wird und sich damit auch die Emissionsbereitschaft ändert.

In einem weiteren Versuch setzten die Wissenschaftler schließlich zwei Barium-Ionen in die Falle, wobei sie jeweils ein Barium-Ion mit dem Licht des anderen beschienen. Auch in dieser Versuchsanordnung ließ sich das charakteristische Hell-Dunkel-Muster beobachten. Offenbar findet also ein gemeinschaftlicher Prozess der Lichtemission statt. Das eine Ion re-absorbiert dabei die Photonen, die das andere aussendet.

Da das Interferenzmuster empfindlich auf die Entfernung zwischen Spiegel und Barium-Ion reagiert, kann man diese Anordnung dazu nutzen, den Ort des Ions genau zu bestimmen – ähnlich, wie man anhand der sich kreisförmig ausbreitenden Wellen erkennen kann, wo ein Stein ins Wasser fiel.