Mikroskope können Dinge nicht beliebig vergrößern. Denn die so genannte Beugungsgrenze begrenzt das Auflösungsvermögen eines optischen Gerätes, abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Diese grundlegende physikalische Beschränkung haben nun zwei Forschergruppen aus Toronto und Wien überlistet. Die Physiker stellen ihre Experimente im Fachmagazin Nature (Bd. 429, S. 158 und S.161) vor.
Weil Lichtteilchen sich wie Wellen verhalten, unterliegen sie dem physikalischen Phänomen der Beugung, wie beispielsweise Wasserwellen auch. So breitet sich eine Wasserwelle, die man durch einen schmalen Spalt schickt, hinter dem Spalt fast kreisförmig aus. Sie erreicht Orte, die ein durch den Spalt fliegendes Teilchen ? oder ein Ball oder eine Pistolenkugel ? nie erreichen könnte, weil es nicht “um die Ecke” fliegen kann.
Will man ein Objekt beobachten, dann ist man darauf angewiesen, dass sich das von diesem Objekt ausgesandte oder reflektierte Licht geradlinig bewegt. Wenn sich das Licht aber “um die Ecke” fortbewegt, dann erscheint das beobachtete Objekt verschmiert. Glücklicherweise spielt Beugung nur dann eine bedeutende Rolle, wenn die Größe der Öffnung, durch die das Licht geschickt wird, kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Da diese etwa einen halben Tausendstel Millimeter beträgt, können wir zum Glück durch ein Fenster sehen, ohne dass die Objekte dahinter verschmieren.
Doch bei optischen Geräten oder bei einem CD-Spieler, der mit Laserlicht winzige Strukturen auf einer CD abtastet, gelangt man an die Beugungsgrenze. Physikerteams der Universität Toronto und der Universität Wien haben nun Photonen, also Lichtteilchen, so präpariert, dass sie sich wie Teilchen mit einer kürzeren Wellenlänge verhalten ? und haben somit die Beugungsgrenze ein Stück weit hinausgeschoben.
Dem Wiener Team um Anton Zeilinger ist es gelungen, vier Photonen miteinander zu verschränken. Dem Toronter Team um Aephraim Steinberg gelang das gleiche mit drei Photonen. Verschränkung ist eine quantenmechanische Eigenschaft, die Albert Einstein “Spukhafte Fernwirkung” genannt hat. Salopp ausgedrückt verhalten sich miteinander verschränkte Photonen wie telepathisch begabte Zwillinge ? oder in den vorliegenden Experimenten wie Drillinge oder Vierlinge.
Die “Drillinge” beziehungsweise “Vierlinge” bilden ein einziges quantenmechanisches System, das die drei- oder vierfache Energie eines Einzelphotons besitzt ? und zwar auch dann noch, wenn sie räumlich voneinander getrennt sind. Da sich Energie und Wellenlänge eines Photons umgekehrt proportional zueinander verhalten, folgt daraus, dass sich die Drillinge beziehungsweise Vierlinge wie Teilchen mit einem Drittel bzw. einem Viertel der Wellenlänge eines Einzelphotons verhalten ? und die Beugungsgrenze für sie somit verschoben ist. Genau dieses Verhalten konnten die Wiener und Toronter Physiker in ihren Experimenten nachweisen.
Axel Tillemans
