Physiker haben das berühmte Doppelspaltexperiment mit Zeit statt Raum nachgebaut

Physiker haben das berühmte Doppelspaltexperiment mit Zeit statt Raum nachgebaut

Zeitstempel: 7. April 2023, 10:00 Uhr

Vor mehr als 200 Jahren führte der englische Wissenschaftler Thomas Young einen berühmten Test durch, der als „Doppelspaltexperiment.“ Er richtete einen Lichtstrahl auf einen Schirm mit zwei Schlitzen darin und beobachtete, dass das Licht, das durch die Öffnungen fiel, ein Muster aus dunklen und hellen Bändern bildete.

Damals verstand man das Experiment als Beweis dafür, dass Licht eine Welle sei. Das „Interferenzmuster“ wird durch Lichtwellen verursacht, die beide Schlitze passieren und sich auf der anderen Seite gegenseitig stören, wodurch helle Bänder entstehen, wo die Spitzen der beiden Wellen aufeinandertreffen, und dunkle Bänder, wo eine Spitze auf ein Tal trifft und sich die beiden aufheben .

Im 20. Jahrhundert erkannten Physiker, dass das Experiment angepasst werden könnte, um zu demonstrieren, dass sich Licht nicht nur wie eine Welle verhält, sondern auch wie ein Teilchen (Photon genannt). In der quantenmechanischen Theorie hat dieses Teilchen immer noch Welleneigenschaften – also passiert die Welle, die sogar mit einem einzelnen Photon verbunden ist, beide Schlitze und erzeugt Interferenz.

In einer neuen Variante des klassischen Experiments ersetzten wir die Schlitze im Bildschirm rechtzeitig durch „Schlitze“ – und entdeckten eine neue Art von Interferenzmuster. Unsere Ergebnisse waren veröffentlicht diese Woche in Naturphysik.

Schlitze in der Zeit

Unser Team unter der Leitung von Riccardo Sapienza vom Imperial College London hat Licht durch ein Material geschossen, das seine Eigenschaften in Femtosekunden (billiardstel Sekunden) ändert und nur zu bestimmten Zeiten in schneller Folge Licht durchlässt.

Wir sahen immer noch Interferenzmuster, aber anstatt sich als helle und dunkle Bänder zu zeigen, zeigten sie sich als Änderungen in der Frequenz oder Farbe der Lichtstrahlen.

Um unser Experiment durchzuführen, haben wir uns eine Möglichkeit ausgedacht, das Reflexionsvermögen eines Bildschirms unglaublich schnell ein- und auszuschalten. Wir hatten einen transparenten Bildschirm, der für zwei kurze Augenblicke zum Spiegel wurde, was zwei Zeitschlitzen entsprach.

Farbinterferenz

Was also machen diese Zeitschlitze mit Licht? Wenn wir uns Licht als Teilchen vorstellen, könnte ein Photon, das an diesem Schirm gesendet wird, von der ersten oder der zweiten Erhöhung des Reflexionsvermögens reflektiert werden und einen Detektor erreichen.

Die Wellennatur des Prozesses bedeutet jedoch, dass das Photon gewissermaßen von beiden zeitlichen Schlitzen reflektiert wird. Dies erzeugt Interferenzen und ein variierendes Farbmuster im Licht, das den Detektor erreicht.

Das Ausmaß der Farbänderung hängt davon ab, wie schnell der Spiegel sein Reflexionsvermögen ändert. Diese Änderungen müssen auf Zeitskalen erfolgen, die mit der Länge eines einzelnen Zyklus einer Lichtwelle vergleichbar sind, die in Femtosekunden gemessen wird.

Elektronische Geräte können dafür nicht schnell genug funktionieren. Also mussten wir Licht verwenden, um die Reflektivität unseres Bildschirms ein- und auszuschalten.

Wir nahmen einen Bildschirm aus Indiumzinnoxid, einem transparenten Material, das in Mobiltelefonbildschirmen verwendet wird, und machten ihn mit einem kurzen Laserlichtpuls reflektierend.

Vom Raum zur Zeit

Unser Experiment ist eine schöne Demonstration der Wellenphysik und zeigt auch, wie wir Konzepte wie Interferenz aus dem Raumbereich in den Zeitbereich übertragen können.

Das Experiment hat uns auch geholfen, Materialien zu verstehen, die das Verhalten von Licht in Raum und Zeit genau steuern können. Dies wird Anwendungen in der Signalverarbeitung und vielleicht sogar in lichtbetriebenen Computern haben.Das Gespräch

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bild-Kredit: Tobias Karlson on Unsplash 

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