Ein Photon und sein Spiegelbild

Ist der Abstand zwischen Emitter und Spiegel sehr klein, kann nicht zwischen Photon und Spiegelbild unterschieden werden.

Wenn ein Atom ein Photon in eine bestimmte Richtung emittiert, so erfährt es einen Rückstoß in die entgegengesetzte Richtung. Kann man das Photon messen, so kann man auch die Bewegung des Atoms bestimmen. Ist aber in nächster Nähe zum Atom ein Spiegel platziert, so gibt es zwei mögliche Wege, auf denen das Photon den Betrachter erreicht haben kann: Es könnte direkt in der Richtung des Betrachters emittiert oder zunächst in die entgegengesetzte Richtung und dann zum Betrachter reflektiert worden sein. Einem Team aus Physikern der Universitäten Heidelberg, München und Wien gelang es nun in einem Experiment, den Unterschied zwischen Photon und Spiegelbild zu verwischen, indem sie den Abstand zwischen Atom und Spiegel sehr klein wählten.

Das Forscherteam unter der Führung von Markus Oberthaler vom Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg positionierte ein angeregtes Atom wenige Mikrometer vor einen vergoldeten Spiegel und beobachteten den Zustand des Atoms nach der spontanen Emission eines einzelnen Photons. Wird das Photon senkrecht zum Spiegel emittiert, so kann ein Beobachter aufgrund der zeitlichen und räumlichen Unschärfe nicht unterscheiden, ob das Photon zuerst zum Spiegel geflogen ist, und von diesem reflektiert wurde, oder direkt vom Atom zum Beobachter flog. Dies ist quantenmechanisch gesehen gleichbedeutend mit einer Superposition beider Zustände.

Das Atom erhält jedoch einen Rückstoß von dem emittierten Photon, und, da es – bildlich gesprochen – nicht unterscheiden kann, in welche Richtung das Photon flog, bekommt das Atom den Rückstoß in zwei gegensätzliche Richtungen. Das Atom bewegt sich somit gleichzeitig in zwei unterschiedliche Richtungen. Diese beiden Zustände des Atoms, Bewegung auf den Spiegel zu und von ihm weg, können mittels eines Gitters aus Laserlicht ausgelesen werden. Die auftretende Interferenz zeigt, dass das Atom tatsächlich beide Zustände zugleich eingenommen hat. Erfolgt die Emission des Photons parallel zum Spiegel, können die verschiedenen Zustände hingegen unterschieden werden und es entsteht kein Superpositionszustand.

TU München / MH