Der deutsche Physiker Max Planck postulierte schon im Jahr 1900, dass die Energie bei der Wechselwirkung von Materie und Strahlung nur in diskreten “Energiepaketen” ausgetauscht werden kann – sie ist gequantelt. 1915 präzisierte Albert Einstein dies, indem er erkannte, dass diese Quanten beim Licht den Photonen entsprechen. Wird ein Atom durch einen Lichtstrahl angeregt, wechselt es in einen höheren Energiezustand, nimmt dabei aber immer nur ein Photon auf einmal auf. Fällt das Atom dann wieder in seinen Ursprungszustand zurück, gibt es die überschüssige Energie wieder in Form eines Photons ab – es fluoresziert. Misst man diese Fluoreszenz mit Photosensoren, die noch einzelne Photon registrieren können, erzeugt diese Fluoreszenz kein durchgehendes elektrisches Signal, sondern eine Serie von kurzen Strompulsen. Bei nur einem fluoreszierenden Atom zeigt sich dabei, dass es immer nur ein Photon nach dem anderen freisetzt, die wie an einer Perlenschnur aufgereiht auf den Detektor treffen.
Ist ein Interferenz-Effekt schuld?
“Diese Interaktion eines einzelnen Quanten-Emitters mit zwei Energieebenen mit einem kohärenten Lichtfeld ist einer der Ecksteine der Quantenoptik und bildet das Herz vieler moderner Experimente und Anwendungen im Quantenbereich”, erklären Luke Masters von der Humboldt-Universität Berlin und seine Kollegen. “Gängiger Interpretation nach kann ein solcher Quanten-Emitter immer nur einzelnen Photonen absorbieren und emittieren.” Beobachtungen scheinen dies auch zu bestätigen. Doch schon vor rund 40 Jahren stellten Physiker bei genauerer Analyse der physikalischen Gleichungen und Modelle fest, dass es theoretisch auch eine andere Erklärung für die Vereinzelung der beobachteten Fluoreszenz-Photonen gibt. Demnach könnten bei der Reaktion des Atoms auf Laserlicht durchaus mehrere Photonen entstehen. Diese werden kohärent und nicht kohärent gestreut und können sich dabei durch destruktive Interferenz gegenseitig aufheben – so die Theorie.
Sollte diese Theorie korrekt sein, dann müsste sich dies jedoch auch experimentell nachweisen lassen, und genau dies ist nun Masters und seinen Kollegen gelungen. Für ihre Studie hielten sie ein einzelnes Rubidium-Atom in einer optisch-magnetischen Falle gefangen und bestrahlten es mit schwachem, infrarotem Laserlicht. Das dadurch angeregte Atom setzte nun seinerseits Photonen frei. “Dieses Fluoreszenzlicht kann in einen kohärenten Quantenzustand und eine inkohärente, gestreute Komponente aufgeteilt werden”, erklären die Physiker. Entfernten sie nun den kohärenten Anteil mithilfe spezieller Filter, verwandelte sich der Einzelphotonen-Strom plötzlich in Paare gleichzeitig emittierter Photonen. „Hierbei handelt es sich um ein wunderbares Beispiel dafür, wie sehr unsere Intuition versagt, wenn wir versuchen, uns eine Vorstellung davon zu machen, wie Prozesse auf der mikroskopischen Ebene ablaufen“, sagt Seniorautor Jürgen Volz von der Humboldt-Universität. Denn mit der Wahrnehmung unserer Alltagswelt lässt sich dieser Effekt nicht in Einklang bringen: Verbannt man alle grünen Autos von einer Straße, fahren die verbleibenden deshalb nicht plötzlich in Paaren nebeneinander her.
