Einzelphotonenquelle

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 Habernack-Harlatan-Umbug-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 S.C. Habernack das Grundkonzept eines experimentum crucis vor, für dessen praktische Durchführung es jedoch einer Einzelphotonenquelle bedarf.

Das Einphotonen-Experiment

Die ebenso geniale wie einfache Grundidee Habernacks ist folgende. Gemäss der gesicherten Tatsache "Wo viel Licht ist, da ist auch viel Schatten" folgerte Habernack 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 Habernacksche 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 Habernack-Experimentes steht und fällt mit dem Vorliegen einer Einzelphotonenquelle und war von daher reine Theorie, bis im Jahr 2007 der Experimentalphysiker S.C. Harlatan 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 50-Hz-Wechselrichter genau 50 Photonen pro Sekunde pro Atom. Durch die Verknüpfung der Mikro- mit der Nanotechnik gelang es nun Harlatan, 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 Harlatan-Lampen aber neuerdings mit gelben Schwefelatomen.

Das Habernack-Harlatan-Umbug-Experiment

WIe nach den genialen Vorarbeiten Habernacks und Harlatans nicht anders zu erwarten, waren die Hoffnungen der Fachwelt an die ersten Habernack-Harlatan-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 deutscher Forscher, der Kryptophysiker H. Umbug, der den Lösungsweg gefunden zu haben scheint. Nach Umbug erzeugt man ein Nano-Nano-Schattenwurfobjekt folgendermassen: zunächst lässt man besonders schweres Licht aus einer Harlatan-EPQ durch eine dünne Folie fliegen (hierfür nimmt man logischerweise Harlatanlampen 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 November 2007 in der theoretischen Fachpresse vorgestellte sogenannte Habernack-Harlatan-Umbug-Experiment ist für Herbst 2008 in der praktischen Umsetzung geplant. Bis dahin wird es nach Angaben von Zeiss-Optik (Jena) dauern, eine Vergrösserungsglas genügender Stärke zu konstruieren, um die doch sehr kleinen Trümmerstücke des Foliendurchflugs finden und für den zweiten Teil entsprechend korrekt justieren zu können. Experten zweifeln jedoch nicht daran, dass S.C. Habernack, S.C. Harlatan sowie H. Umbug der Nobelpreis für Physik nicht mehr zu nehmen ist.

Literatur

• S.C.Habernack: "Wave or matter - this doesn't matter!", Phys. Rev. Bd. 2378, p. 678-693, 1982, Princeton
• S.C.Harlatan: "Einzelphotonenlampen - Lichterzeugung in Zeiten gestiegener Energiepreise", VDI-Nachrichten Bd. 7, p. 12-19, 2006, VDI Verlag Düsseldorf
• H.Umbug: "Nano-Nano-Technik: klein aber fein!", 2007, Lilliputverlag, Klein-Bonum