Metamaterial: Forscher erzeugen Doppelspalt in zeitlicher Dimension

Mit Metamaterial lässt sich das Doppelspaltexperiment in die Zeitdimension übertragen. Dabei machten die Forscher eine unerwartete Entdeckung.

Artikel veröffentlicht am 4. April 2023, 15:00 Uhr, Johannes Hiltscher

Falschfarbenbild des Interferenzmusters von Elektronen am Doppelspalt (Bild: Timm Weitkamp, Wikimedia Commons/CC-BY 3.0)

Das Doppelspaltexperiment 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.

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 (Vorveröffentlichung bei Arxiv), 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: einem Material, dessen – in diesem Fall optische – Eigenschaften sich periodisch ändern.