Gelbgrünes Zentrum

Forscher: So sieht ein einzelnes Lichtteilchen aus

Das Bild zeigt ein Photon mit gelbgrünem ovalem Zentrum, umgeben von strahlendem blauem Licht.(Bild: University of Birmingham/Benjamin Yuen)

Forschern an der Universität von Birmingham ist es erstmals gelungen, das Aussehen eines einzelnen Photons (Lichtteilchens, Anm.) zu visualisieren. Gelungen ist das den Physikern mithilfe eines Modells, das die Freisetzung eines Photons aus einem Nanopartikel so präzise und umfassend wie noch nie zuvor rekonstruiert.

Dem Forscherteam an der Universität im englischen Birmingham gelang damit ein völliges Novum auf dem Gebiet der Physik. Sie konnten detailliert zeigen, wie die Lichtteilchen von Atomen oder Molekülen emittiert und von ihrer Umgebung geformt werden.

Die Art dieser Wechselwirkung führe dazu, dass Licht unendlich viele Möglichkeiten hat, in seiner Umgebung zu existieren, sich auszubreiten bzw. zu wandern, berichten die Wissenschaftler im Fachjournal „Physical Review Letters“.

Herausforderung für Quantenphysiker
Diese unbegrenzten Möglichkeiten machen allerdings die Modellierung der Wechselwirkungen sehr schwierig und stellen eine Herausforderung dar, an deren Bewältigung Quantenphysiker seit mehreren Jahrzehnten arbeiten.

Was ist ein Photon?

Ein Photon ist die kleinstmögliche Energieform in einem elektromagnetischen Feld, das wir als Licht kennen. Ein Lichtteilchen ist also quasi ein winziges Päckchen Lichtenergie. Es hat keine Masse und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit – also knapp 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Die Forscher in Birmingham konnten eigenen Angaben zufolge ein Modell erstellen, das nicht nur die Wechselwirkungen zwischen dem Photon und dem Emitter (Quelle einer Strahlung oder eines Teilchenflusses, Anm.) beschreibt, sondern auch, wie die Energie aus dieser Wechselwirkung in das entfernte „Fernfeld“ wandert. Gleichzeitig konnten sie mit ihren Berechnungen eine Visualisierung des Photons (siehe Bild oben) selbst erstellen.

Bild von Photon ist „Nebenprodukt“
„Unsere Berechnungen ermöglichten es uns, ein scheinbar unlösbares Problem in etwas umzuwandeln, das berechnet werden kann.“ Und fast als Nebenprodukt des Modells konnten wir dieses Bild eines Photons erzeugen, etwas, das es in der Physik noch nie gegeben hat“, wie der Erstautor der Studie, Benjamin Yuen von der Fakultät für Physik und Astronomie an der Universität von Birmingham, erläutert. 

„Diese Arbeit hilft uns, unser Verständnis des Energieaustauschs zwischen Licht und Materie zu verbessern und zweitens besser zu verstehen, wie Licht in seine nahe und ferne Umgebung strahlt“, wird Yuen zitiert. „Viele dieser Informationen wurden früher nur als ,Rauschen‘ betrachtet – aber sie enthalten so viele Informationen, die wir jetzt verstehen und nutzen können, so der Wissenschaftler.