Das wohl kleinste Röntgen-Interferometer der Welt Doppelspalt-Experiment enthüllt Details zwischen Licht und Materie

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Wie wechselwirkt Licht mit Materie? Dieser Frage sind Forscher mithilfe des berühmten Doppelspalt-Experiments nachgegangen. Sie nutzten den Versuchsaufbau, um ein stark miniaturisiertes Interferometer für Röntgenstrahlung zu konstruieren.

Ein Regenbogen macht mit Farben sichtbar, was sonst verborgen bleibt: Licht wird von transparenter Materie „gebrochen“ – beim Regenbogen sind es Wassertropfen in der Luft, die wie tausende winzige Prismen wirken. Derselbe physikalische Effekt steckt in vielen Technologien des Alltags wie LCD-Bildschirmen und dem Breitbandanschluss mit Glasfaserkabel.

Auslöser der Lichtbrechung ist eine Wechselwirkung zwischen dem Licht und den Atomen der Materie. Durch sie geraten die Lichtwellen sozusagen ein wenig aus dem Takt. Auch Röntgenlicht wird gebrochen. Hier ist der Effekt jedoch schwer zu messen.

Ein Miniatur-Messgerät verschafft nun ganz neuen Zugang: Forschende der Universitäten Göttingen und Hamburg haben mit Partnern das – ihres Wissens nach – weltweit kleinste Röntgen-Interferometer gebaut. Damit konnten sie die Brechung von auf wenige Nanometer begrenzten Röntgenstrahlen erstmals genau vermessen und daraus schließen, wie diese mit Atomkernen interagieren.

Quantenforschung

Vier Wellen für ein Heureka: Röntgenlaser zeigt Zusammenspiel der Elektronen

Mit Doppelspalt-Technik zum neuen Interferometer

Das neue Röntgen-Interferometer nutzt das Prinzip des berühmten Doppelspalt-Experiments, das laut Nobelpreisträger Richard Feynman das „Herz der Quantenmechanik“ in sich trägt. „Unser Röntgen-Interferometer ist wohl das kleinste Interferometer der Welt: Die beiden Spalte liegen nur 50 Nanometer auseinander“, sagt Erstautor Dr. Leon M. Lohse, der die Studie an der Universität Hamburg erarbeitet hat und inzwischen an der Universität Göttingen forscht. Die Forschenden experimentierten damit an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble.

In einen der beiden Spalte brachten die Forscher Atome des Eisen-Isotops 57Fe ein. „Das faszinierende ist: Wir haben das Experiment größtenteils mit einzelnen Photonen der Röntgenstrahlung durchgeführt“, sagt Lohse. Jedes dieser Lichtteilchen durchquert gleichzeitig beide Spalte. In einem Spalt interagiert das Photon mit den Atomkernen des Eisen-Isotops. Hinter den Spalten erzeugt es dann charakteristische Interferenzmuster, aus denen die Stärke der Lichtbrechung bestimmt wird. Daraus konnten die Forschenden auf die Wechselwirkung zwischen den Röntgen-Photonen und Eisen-Atomen schließen.

Welle-Teilchen-Dualismus im Doppelspalt-Experiment

Quantenmechanik sichtbar gemacht

Das Doppelspalt-Experiment ist ein Schlüsselversuch der Quantenphysik, der den Welle-Teilchen-Dualismus demonstriert. Dabei werden einzelne Photonen (Lichtteilchen) in Richtung eines Doppelspaltes gelenkt und auf einem Detektor-Schirm dahinter registriert.

Nach der klassischen Teilchenphysik würde man erwarten, dass die einzelnen Photonen nach dem Zufallsprinzip mal durch den einen, mal durch den anderen Spalt gelangen und dementsprechend zwei Signale auf dem Detektor erscheinen. Tatsächlich zeigt sich aber ein Interferenzmuster mit regelmäßigen Intensitätsmaxima, so wie es von einer Wellenfront erzeugt würde, die durch die Spalten tritt und auf der Rückseite zwei Kugelwellen formt, die miteinander wechselwirken.

Dass einzelne Teilchen ein solches „Wellenmuster“ erzeugen, kann nur damit erklärt werden, dass Photonen gleichzeitig Welle und Teilchen sind.

Dieses Experiment und seine bahnbrechende Interpretation geht auf den Physiker Thomas Young zurück, der den Versuch als erster mit Licht durchführte und seine Ergebnisse 1803 publizierte.

Anwendungsgebiete: Bioproben und Brechungsindex

Interferometer für Röntgenstrahlung zu bauen, ist herausfordernd. Sie müssen besonders präzise sein: Röntgen-Lichtwellen werden schwächer beeinflusst und sind extrem kurz – etwa Tausendmal kürzer als die des sichtbaren Lichts und kürzer als der typische Abstand zwischen Atomen in Materie. Gleichzeitig ist ihre Brechung hoch relevant. Mit ihr erzeugt etwa die Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung detailreiche 3D-Bilder von biologischen Proben, ohne sie zu beschädigen. In ihr sind außerdem genaue Informationen über die in Materie enthaltenen Atome und deren Anordnung verborgen. Diese waren für Forschende bisher schwer zugänglich.

„Unser Experiment eröffnet zahlreiche Perspektiven“, erklärt Prof. Dr. Tim Salditt von der Universität Göttingen. „Es demonstriert, wie Lichtbrechung Informationen liefert, die aus der sonst gemessenen Abschwächung des Lichts nicht hervorgehen – insbesondere im Zusammenhang mit atomaren Resonanzen.“ Außerdem liefere es eine Grundlage, um den Brechungsindex unterschiedlicher Elemente für Röntgenstrahlung systematisch und präzise zu vermessen. In Zukunft sind für das Team auch „integrierte optische Schaltkreise“ für Röntgenstrahlung denkbar.

Originalpublikation: Lohse, L. M. et al.: Interferometric measurement of nuclear resonant phase shift with a nanoscale Young double waveguide, Nature Photonics. DOI: 10.1038/s41566-026-01892-5

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