Innsbruck/Wien – Über die Ausstrahlung von Wellen verrät ein Objekt seine genaue Position. Physikern der Technischen Universität (TU) Wien und der Universität Innsbruck ist nun der Nachweis eines Welleneffektes gelungen, der zu Messfehlern bei der optischen Positionsbestimmung von Objekten führen kann. Die Ergebnisse ihrer Experimente haben die Forscher im Fachjournal "Nature Physics" veröffentlicht.

Hintergrund

Strahlt ein winziges Objekt, wie etwa ein Atom, von einem fixen Ort aus permanent Licht ab, lässt sich seine Position theoretisch beliebig genau bestimmen. Dazu genügt es, die Strahlen mit einer Linse einzufangen, sie auf einen Schirm zu projizieren und das Helligkeitszentrum des dort entstehenden Punktes zu suchen.

Vor allem in der modernen Mikroskopie ist die exakte Bestimmung der Position einzelner Moleküle oder Nanoteilchen entscheidend. Sie dienen dort oft als Markierungspunkte in organischen Proben. Auch bei Quantenexperimenten soll der Aufenthaltsort von Atomen, welche als Träger von Quantenbits dienen, exakt bestimmt werden, um sie effektiv von außen messen und manipulieren zu können.

Wo sich der Fehler einschleicht

In ihrer Studie ist den Wissenschaftern nun der Nachweis gelungen, dass derartige Positionsbestimmungen unter bestimmten Umständen einen systematischen Fehler aufweisen können. Entscheidend dabei ist die Polarisation des ausgesandten Lichts.

Sogenannte linear polarisierte Strahlung verursacht keine Probleme. Dabei schwingen sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld immer entlang der gleichen Achse. Dagegen treten bei elliptisch polarisiertem Licht Abweichungen auf. Bei dieser Art der Polarisation drehen sich das elektrische und magnetische Feld im Kreis, was eine Veränderung der Form der Welle verursacht: Während linear polarisiertes Licht sich kugelförmig im Raum ausbreitet, bilden die Wellenfronten von elliptisch polarisiertem Licht Spiralen.

Dieser Unterschied führt dazu, dass elliptisch polarisiertes Licht leicht schief auf die Abbildungsoptik fällt, was zu einer Verschiebung des gemessenen Helligkeitszentrums in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge führt. "Der Unterschied beträgt zwar nur ein paar Hundert Nanometer, für spezielle, besonders hochauflösende Mikroskopiemethoden kann das jedoch bereits einen erheblichen Messfehler darstellen", sagt Stefan Walser vom Atominstitut der Universität Wien, einer der Autoren der aktuellen Studie.

"Letztendlich hatten wir wohl den richtigen Riecher"

Theoretische Überlegungen zu diesem Thema gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten. "Dennoch hat bisher niemand den Zusammenhang mit der Abweichung in der Positionsbestimmung erkannt", so Walser. "Letztendlich hatten wir wohl den richtigen Riecher, hier die Dinge zusammenzuführen und etwas Neues zu finden."

Zur Untermauerung ihrer Theorie haben die Forscher gleich zwei Experimente durchgeführt. So konnte an der TU Wien die scheinbare Verschiebung eines etwa hundert Nanometer großen Goldkügelchens bestimmt werden, wenn es anstelle von linear polarisiertem Licht elliptisch polarisiertes aussandte. An der Universität Innsbruck wiederum gelang ein analoger Nachweis für die Position eines einzelnen Atoms.

Den Forschern zufolge beschränkt sich der Effekt dabei keineswegs auf optische Systeme. Auch für Positionsbestimmungen mit anderen Arten von Wellen seien ähnliche Effekte zu erwarten. Das könnte sowohl Schall, Radar als auch Gravitationswellen betreffen. "Das muss jetzt nicht alles von Grund auf infrage gestellt werden", sagte Walser. "Für spezielle Anwendungen kann der Effekt aber durchaus eine Rolle spielen." (APA, 16. 10. 2018)