Klassische Verschränkung: Rasende Teilchen im Laserblick

Winzige Teilchen zu verfolgen, könnte künftig einfacher werden – selbst wenn sie mit der Geschwindigkeit einer Gewehrkugel durch die Gegend sausen. Denn Forscher des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts um Christoph Marquardt und Gerd Leuchs haben festgestellt, dass sich solche Partikel mit einem radial polarisierten Laserstrahl gewissermaßen filmen lassen.

In radial polarisiertem Licht ordnen sich die Schwingungsebenen der Lichtwellen wie die Speichen eines Rades an. Wenn die Forscher ein Teilchen durch einen solchen Laserstrahl fliegen lassen, können sie seine Position mehrere Milliarden Mal in der Sekunde bestimmen, indem sie die Polarisation des Strahls messen.

Dabei machen sich die Physiker zunutze, dass die Polarisation des Laserstrahls und seine räumliche Struktur miteinander klassisch verschränkt sind. Bislang lässt sich der Weg etwa von sehr schnellen Objekten nur mit teuren Hochgeschwindigkeitskameras verfolgen. Diese laufen zudem nur für den Bruchteil einer Sekunde, ehe sie neu gestartet werden müssen.

Gewöhnlich gilt die Verschränkung als Paradebeispiel für die abenteuerlichen Herausforderungen, die unsere Vorstellungskraft zu bewältigen hat, wenn sie es mit der Quantenmechanik, der nicht-klassischen Physik, zu tun bekommt. So beeinflussen sich Eigenschaften zweier verschränkter Teilchen gegenseitig ohne jeden Zeitverzug – und das sogar über weite Strecken. Doch auch die klassische Physik kennt ein Analogon zur quantenmechanischen Verschränkung:

„In einem radial polarisierten Lichtstrahl hängt die Polarisation mit der Verteilung des elektromagnetischen Feldes zusammen“, sagt Christoph Marquardt, der in der Abteilung von Gerd Leuchs am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, eine Forschungsgruppe leitet. „Erstaunlicherweise gleicht die mathematische Beschreibung dieses Zusammenhangs derjenigen der quantenmechanischen Verschränkung.“

Allerdings präsentiert sich die klassische Verschränkung nicht ganz so geisterhaft, wie quantenmechanische. So hängen die beiden Eigenschaften des radial polarisierten Laserstrahls zwar untrennbar voneinander ab. Aber sie beeinflussen sich anders als bei der quantenmechanischen Verschränkung nicht über weite Strecken. Vielmehr gilt die klassische Verschränkung nur innerhalb eines Lichtstrahls. Dennoch hat sie einen praktischen Nutzen:

Über den Zusammenhang von Polarisation und Ortsinformation bestimmen die Physiker um Christoph Marquardt die Position eines Teilchens, das senkrecht durch einen Laserstrahl rast. Und weil sich die Polarisation eines Lichtstrahls mehr als eine Milliarde Mal in der Sekunde messen lässt, können die Erlanger Forscher den Flug selbst eines sehr schnellen Teilchens durch den Laserstrahl verfolgen. „Über Messungen der Polarisation können wir Objekte mit jeder irdischen Geschwindigkeit verfolgen“, sagt Christoph Marquardt.

Experimente belegen, wie gut der Bewegungssensor funktioniert

Was dabei geschieht, lässt sich auch veranschaulichen, ohne in die mathematischen Formeln der klassischen Verschränkung einzusteigen. Es reicht ein genauer Blick auf die radiale Polarisation: Polarisierte Lichtwellen stellen Physiker gerne in Form von Pfeilen dar. Bei einem radial polarisierten Lichtstrahl ordnen sich die Pfeile kranzförmig um den Strahlmittelpunkt an. Es gibt also zu jedem Pfeil, der aus dem Zentrum des Strahls herausragt, einen anderen, der genau in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Das heißt, unterm Strich mitteln sich alle Polarisationen zu Null.

Wenn nun an einer Stelle Polarisationsrichtungen abgeschattet werden, haben die gegenüberliegenden Pfeile kein Gegenstück mehr – es bleibt also eine Nettopolarisation, und zwar für jeden Weg eines Partikels durch den Lichtstrahl eine andere. Allerdings lässt sich die Bahn mit einem Laserstrahl nur dann eindeutig bestimmen, wenn man die ungefähre Größe des Teilchens kennt. Denn ein kleines Kügelchen, das dicht am Mittelpunkt des Strahls vorbeifliegt, hinterlässt in der Polarisation dieselbe Spur wie eine größere Kugel, die den Strahl in größerem Abstand zum Zentrum passiert.

Wie gut ihr optischer Bewegungssensor funktioniert, belegten die Erlanger Forscher in Experimenten. So zeichneten sie die Bahn eines einen Millimeter dicken Metallkügelchens durch den Laserstrahl mit einer hohen zeitlichen Auflösung auf, das heißt in sehr dicht aufeinander folgenden Momentaufnahmen. Schließlich testeten sie noch, wie schnell der Sensor auf einen Gegenstand reagiert, der im Strahl auftaucht. Zu diesem Zweck ließen sie eine Messerklinge mit einer Geschwindigkeit von 27 Metern pro Sekunde in den Laserstrahl schnellen. Dabei verdunkelte sich der Laserstrahl innerhalb von 92 Nanosekunden, also in 92 Milliardstel Sekunden, was die Physiker in Schritten von Bruchteilen einer Nanosekunde festhielten.

Klassisch verschränkte Laserstrahlen könnten die Lidar-Technik verfeinern

„In diesen Tests zeigt die neue Technik, dass sie den heute gebräuchlichen Methoden, mit denen sehr schnelle Objekte verfolgt werden, in mancher Hinsicht überlegen ist“, sagt Christoph Marquardt. So frieren Hochgeschwindigkeitskameras Gegenstände, die durch ihr Blickfeld flitzen, zwar in Milliarden Bildern pro Sekunde ein, sie sind aber nicht nur sehr teuer, sondern laufen auch nur für den Bruchteil einer Sekunde.

Auch Lichtblitze fangen heute schon Teilchenbahnen ein, und zwar mit sehr hoher zeitlicher Auflösung. Zu diesem Zweck wird die Verzögerung, mit der ein Lichtblitz nach dem Start eines Teilchens ein Bild von diesem schießt, in sehr kleinen Schritten variiert. Das bedeutet aber nicht nur, dass man wissen muss, wann das Teilchen startet. Um seine komplette Bahn aufzuzeichnen, muss der Prozess auch sehr oft auf exakt die gleiche Weise wiederholt werden.

Derlei Nachteile bringt die Technik der Erlanger Physiker nicht mit sich. „Wir können uns für unsere Methode daher einige Anwendungen vor allem in der Forschung vorstellen, auch weil sie vergleichsweise einfach und kostengünstig ist“, sagt Stefan Berg-Johansen, der an dem Projekt gearbeitet hat. „Und wenn wir zusätzliche oder andersartige Laserstrahlen verwenden, können wir die Bewegung eines Teilchens sogar in drei Dimensionen abbilden.“

Mit radial polarisierten Laserstrahlen lässt sich etwa das Hin und Her eines Partikels verfolgen, das mit einer optischen Pinzette mehr oder weniger fest gehalten wird. Oder der Weg, den ein Teilchen aufgrund seiner thermischen Bewegung nimmt. Und schließlich ließe sich mit klassisch verschränkten Laserstrahlen die heutige Lidar-Technik verfeinern, mit der in Wissenschaft und Technik bereits heute oft Entfernungen und Geschwindigkeiten gemessen werden. Ein Lidar misst Distanzen und Bewegungen in Richtung des Laserstrahls, mithilfe der Erlanger Methode ließen sich dabei auch Querbewegungen auf einfache Weise verfolgen.

Ansprechpartner

Dr. Christoph Marquardt
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Telefon: +49 9131 6877-129

E-Mail: Christoph.Marquardt@mpl.mpg.de

Originalpublikation
Stefan Berg-Johansen, Falk Töppel, Birgit Stiller, Peter Banzer, Marco Ornigotti, Elisabeth Giacobino, Gerd Leuchs, Andrea Aiello und Christoph Marquardt

Classically entangled optical beams for high-speed kinematic sensing

Optica, 28. September 2015; doi: 10.1364/OPTICA.2.000864