Fandom

Weltenbibliothek

Einzelphotonenquelle

882Seiten in
diesem Wiki
Seite hinzufügen
Diskussion0 Teilen

Störung durch Adblocker erkannt!


Wikia ist eine gebührenfreie Seite, die sich durch Werbung finanziert. Benutzer, die Adblocker einsetzen, haben eine modifizierte Ansicht der Seite.

Wikia ist nicht verfügbar, wenn du weitere Modifikationen in dem Adblocker-Programm gemacht hast. Wenn du sie entfernst, dann wird die Seite ohne Probleme geladen.

Die Einzelphotonenquelle (EPQ) ist eine Quelle für einzelne Photonen. Damit ist sie eines der wichtigsten Werkzeuge in den Händen kundiger Experimentalphysiker, wenn es um die diffizilen Experimente avantgardistischer Quantenphysik geht. Die EPQ ist die Grundlage für das sogenannte Örg-Sax-Mars-Experiment.

Die entscheidende Fragestellung

Fundamental für die gesamte Physik und damit auch den Rest der Welt ist die Frage: "Ist Licht Welle oder Teilchen?".

Seit vielen Jahren geben die theoretischen Physiker hierauf die klare Antwort "Ja!", welche jedoch noch eines experimentellen Beweises bedarf. Bereits seit den 80ern des vorigen Jahrhunderts liegt durch die bahnbrechenden Arbeiten des Theoretikers Örg das Grundkonzept eines experimentum crucis vor, für dessen praktische Durchführung es jedoch einer Einzelphotonenquelle bedarf.

Das Einphotonen-Experiment

Die ebenso geniale wie einfache Grundidee Örgs ist folgende. Gemäss der gesicherten Tatsache "Wo viel Licht ist, da ist auch viel Schatten" folgerte Örg im Umkehrschluss "Wo wenig Licht, da wenig Schatten". Eine Einzelphotonenlichtquelle muss daher den kleinsten in der Natur vorstellbaren Schatten ergeben, sozusagen das Schattenquantum.

Nimmt man nun an, dass Licht eine Welle ist, so ist klarerweise ein einzelnes Photon auch nur eine einzelne Welle (man denke an einen Stein, den man in eine spiegelglatte Wasseroberfläche wirft; dieser Stein erzeugt eine einzige ringförmige Welle). Nun bringt man einfach in den Ausbreitungsweg dieser Welle ein Hindernis exakt der Grösse des einzelnen Photons und stellt in geringem Abstand dahinter einen Schirm auf. Der Teil der Welle, der am Hindernis vorbeiläuft, erhellt den Schirm, der Teil, der durch das Hindernis aufgehalten wird, erzeugt das Schattenquantum. Dieser Vorgang läuft mit Lichtgeschwindigkeit ab, und da nur eine Welle vorhanden ist, würde sich dem Beobachter also folgendes Bild offenbaren: für einen kurzen Augenblick wird der gesamte Schirm hell in der Farbe des Lichtes erleuchtet bis auf die Stelle, an der das Schattenquantum sitzt.

Nimmt man aber hingegen an, dass Licht ein Teilchen ist, so ist ein einzelnes Photon auch nur ein einzelnes Teilchen. Bringt man dasselbe Hindernis in den Ausbreitungsweg, so bleibt der Schirm erstens einmal an allen Stellen dunkel, da nirgendwo ein Lichtteilchen auftrifft, zweitens aber ist hinter dem Hindernis auf dem Schirm zusätzlich das Schattenquantum zu sehen.

Das Örgsche Experiment liefert also eine der beiden Beobachtungsmöglichkeiten: bunter Schirm mit Schattenquantum bzw. schwarzer Schirm mit Schattenquantum. Eine korrekte Durchführung würde also die Urfrage der Quantenphysik eindeutig beantworten und gleichzeitig durch Grössenmessung des Schattenquantums eine Grössenbestimmung der Lichtteilchen gestatten. Damit man das Schattenquantum sehen kann, arbeitet man zusätzlich mit einer handelsüblichen Dunkelkammerbeleuchtung.

Aufbau einer Einzelphotonenquelle

Der Erfolg des Örg-Experimentes steht und fällt mit dem Vorliegen einer Einzelphotonenquelle und war von daher reine Theorie, bis im Jahr 1799 der geniale Ingenieur Sax die erste funktionierende Einzelphotonenquelle der internationalen Fachwelt vorstellte. Das Prinzip ist wiederum ebenso einfach wie genial. Eine gewöhnliche Lampe sendet aus jedem der Abermillionen Atome ihres Glühdrahtes jeweils ein Photon je Zeittakt, also z. B. bei 50Hz-Wechselstrom genau 50 Photonen pro Sekunde pro Atom. Durch die Verknüpfung der Mikro- mit der Nanotechnik gelang es nun Sax, einen Draht aus genau einem Atom herzustellen. In seinem Prototypen arbeitete er mit einer Niederenergie-Wechselspannung von 10 Volt und 1Hz sowie einem Ein-Atom-Chlordraht, sodass also jede Sekunde genau ein chlorgrünes Photon die Lampe verliess. Da gelbes Licht heller ist und einen besseren Schattenwurf erzeugt, arbeiten die verbesserten Sax-Lampen aber neuerdings mit gelben Schwefelatomen.

Das Örg-Sax-Mars-Experiment

Wie nach den genialen Vorarbeiten Örgs und Sax nicht anders zu erwarten, waren die Hoffnungen der Fachwelt an die ersten Örg-Sax-Experimente mit Schwefel-EPQ überaus gross. Umso grösser war die Enttäuschung der Science Community, als die erhofften Ergebnisse ausblieben. Eine kritische Analyse des Versuchsaufbaus brachte raschen Aufschluss über die Fehlerquelle. Damit ein korrektes Schattenquantum erzeugt werden kann, muss das schattenwerfende Hindernis im Lichtweg sowohl die Grösse als auch die Form des Lichtes besitzen. Hierfür reicht es bei weitem nicht aus, Mikro- mit Nanotechnik zu kombinieren. Vielmehr bedarf es einer konsequenten Verknüpfung von Nano- mit Nanotechnik, um in solche kleine Dimensionen fertigungstechnisch vorzustossen. Wiederum ist es ein aquanopolitanischer Forscher, der mit biologischen Nanostrukturen bestens vertraute Paläobiologe Agaton Mars, der den Lösungsweg gefunden zu haben scheint. Nach Mars erzeugt man ein Nano-Nano-Schattenwurfobjekt folgendermassen: zunächst lässt man besonders schweres Licht aus einer Sax-EPQ durch eine dünne Folie fliegen (hierfür nimmt man logischerweise Sax-Lampen mit besonders schwerem Draht, z.B. Beton oder Schweres Wasser). Hierbei durchschlägt das Licht die Folie und reisst ein Trümmerstück heraus, welches genau seiner Form und Grösse entspricht. Ist Licht z.B. Welle, so erhält man ein gewelltes Trümmerteil, im Teilchenfalle (z. B. kugelförmige Lichtteilchen) ein kreisrundes Trümmerstück. Man sammelt also lediglich das Trümmerstück auf und benutzt dieses in einem nachgeschalteten zweiten Experiment nun als Schattenquantumwurfobjekt.

Dieses im Oktober 1799 in der theoretischen Fachpresse vorgestellte sogenannte Örg-Sax-Mars-Experiment war für Herbst 1800 in der praktischen Umsetzung geplant. Bis dahin sollte es nach Angaben von Zeiss-Optik dauern, ein Vergrösserungsglas genügender Stärke zu konstruieren, um die doch sehr kleinen Trümmerstücke des Foliendurchflugs finden und für den zweiten Teil entsprechend korrekt justieren zu können. Die ersten Auswertungen der Messwerte ergeben, dass das Experiment ein voller Erfolg war und der technischen Nutzung von EPQ nun kaum noch etwas im Wege stehen kann.

Literatur

  • Z.W. Örg: "Wave or matter - this doesn´t matter!", Phys. Rev. Bd. 2378, p. 678-693, 1982, AquaPolis
  • Ingenieur Sax: "Einzelphotonenlampen - Lichterzeugung in Zeiten gestiegener Energiepreise", VDI-Nachrichten Bd. 7, p. 12-19, 2006, VDI Verlag Bella Vista
  • A. Mars: "Nano-Nano-Technik: klein aber fein!", 2007, Lilliputverlag, AquaPolis

Auch bei Fandom

Zufälliges Wiki