Metamaterial: Forscher erzeugen Doppelspalt in zeitlicher Dimension
Das Doppelspaltexperiment(öffnet im neuen Fenster) ist eines der bedeutendsten und bekanntesten in der Geschichte der Physik. Es bewies, dass Licht Welleneigenschaften hat, und legte den Grundstein für die Quantenmechanik. In der klassischen Variante sind die beiden Spalte räumlich angeordnet, allerdings sollten auch zeitliche Spalte möglich sein. Einer Forschergruppe vom Imperial College in London gelang erstmals eine Realisierung solcher zeitlichen Spalte(öffnet im neuen Fenster) .
Damit das zeitliche analog zum räumlichen Doppelspalt funktioniert, wird ein Material benötigt, das extrem schnell seine optischen Eigenschaften wechselt. Die Forscher fanden die gesuchten Eigenschaften, wie sie im Magazin Nature Physics schreiben(öffnet im neuen Fenster) ( Vorveröffentlichung bei Arxiv(öffnet im neuen Fenster) ), bei Indium-Zinn-Oxid, kurz ITO. Das Metamaterial wird nicht nur bei der Herstellung von Displays verwendet, aufgrund seiner ungewöhnlichen optischen Eigenschaften ist es auch bei Forschern beliebt .
Eine dieser Eigenschaften macht den zeitlichen Doppelspalt möglich: Angeregt durch Licht einer bestimmten Wellenlänge ändert sich die Reflektivität des Materials. Durch die Anregung steigt sie stark an und sinkt dann langsam, innerhalb weniger Hundert Femtosekunden, wieder ab. Für einen kurzen Zeitraum wird ein anschließend erzeugter Lichtstrahl reflektiert, sonst absorbiert - wie bei der Schlitzmaske.
Zeitliche Maske verändert Frequenz
Die Auswirkung des Doppelspalts zeigt sich immer in derselben Dimension, in der auch der Spalt aufgebaut ist: Der räumliche Doppelspalt beeinflusst die räumliche Ausbreitung, sein zeitliches Äquivalent hingegen die Frequenz. Im Experiment wird dazu ein Lichtstrahl auf das angeregte ITO geleitet.
Wie erwartet wird dieser in ein breites Spektrum aufgespalten, aus einer Bandbreite von ursprünglich 1 THz werden etwa 10 THz. Durch die Interaktion der beiden Spalte entsteht ein Interferenzmuster, in dem einige Frequenzen ausgelöscht sind. Dabei machten die Forscher eine unerwartete Entdeckung: Sie sahen deutlich mehr Spektrallinien als erwartet, was sie darauf zurückführen, dass die Reflektivität des ITO wesentlich schneller steigt als bislang angenommen und theoretisch vorhergesagt.
Neben diesen neuen spektroskopischen Möglichkeiten versprechen sich Forscher weitere Anwendungsmöglichkeiten: Mittels zeitvarianter Photonik lassen sich Wellen manipulieren, wie dies zuvor nur mit räumlichen Strukturen möglich war. Das könnte die Weiterentwicklung optischer Quantencomputer und Datenübertragung beflügeln. Die Forscher selbst träumen bereits vom Zeitkristall(öffnet im neuen Fenster) : einem Material, dessen - in diesem Fall optische - Eigenschaften sich periodisch ändern.