Grundlegendes Gesetz der Energieerhaltung auf Quantenebene bestätigt

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 07.07.2025

Schematische Darstellung eines einzelnen Photons mit Nulldrehimpuls (grün), das sich in zwei Photonen (rot) mit Null- oder entgegengesetztem Drehimpuls (durch den Farbverlauf umrandet) aufspaltet. Die beiden Photonen addieren sich zu Null und bestätigen damit den fundamentalen Drehimpulserhaltungssatz. [Bild: Robert Fickler/Universität Tampere]

Bahndrehimpuls des Lichts

Ein Team von Physikern und Ingenieuren aus Deutschland, Finnland und Indien hat experimentell bestätigt, dass der Drehimpuls des Lichts erhalten bleibt, wenn ein einzelnes Photon in ein Paar aufgespalten wird. Damit wurde erstmals ein grundlegendes Prinzip der Physik auf Quantenebene bestätigt – der Ebene, auf der die Gesetze der Quantenmechanik gelten.

Diese experimentelle Demonstration eröffnet neue Möglichkeiten zur Erzeugung komplexer Quantenzustände, die in der Computer-, Kommunikations- und Sensorikbranche nützlich sind.

Die Energieerhaltungssätze bilden den Kern unseres naturwissenschaftlichen Verständnisses und bestimmen, welche Prozesse erlaubt oder verboten sind. Ein einfaches und anschauliches Beispiel ist der Zusammenstoß zweier Billardkugeln, bei dem die Bewegung – und damit auch der Impuls – von einer Kugel auf die andere übertragen wird.

Für rotierende Objekte mit Drehimpuls gilt jedoch ein ähnliches Erhaltungsgesetz. Interessanterweise kann auch Licht einen Drehimpuls besitzen, beispielsweise den Bahndrehimpuls (OAM), der mit der räumlichen Struktur des Lichts zusammenhängt und an vielen neueren Fortschritten in der Photonik beteiligt ist, etwa an der Verdrehung von Licht , der Bildung von Knoten oder der Donut-Formung von Licht – kurz gesagt: der Lichtformung .

Wenn wir uns tiefer in den Quantenbereich bewegen, implizieren diese Gesetze, dass einzelne Lichtteilchen, Photonen genannt, einen wohldefinierten Bahndrehimpuls (OAM) besitzen, der erhalten bleiben muss, wenn diese Photonen mit Elektronen, Atomen und anderen Teilchen interagieren. Das Team hat diese Erhaltungsgesetze nun bis an die absolute Quantengrenze getestet und untersucht, ob die Erhaltung der OAM-Quanten auch dann gilt, wenn ein einzelnes Photon in ein Photonenpaar aufgespalten wird.

Eins minus eins ist null

Die Erhaltungsregel besagt beispielsweise, dass bei der Aufspaltung eines Photons mit null MAO in zwei Photonen die MAO-Quanten beider Photonen null ergeben müssen. Besitzt also eines der neu erzeugten Photonen MAO-Quanten, muss das Partnerphoton die entgegengesetzten, also negativen MAO-Quanten aufweisen. Anders ausgedrückt: Die einfache Formel 1 + (-1) = 0 muss gelten.

Diese Erhaltungsregeln wurden zwar in unzähligen laseroptischen Experimenten getestet und angewendet, jedoch nie für ein einzelnes Photon. Und das aus gutem Grund: Die dafür erforderlichen nichtlinearen optischen Prozesse sind sehr ineffizient, da nur ein Milliardstel der Photonen in ein Photonenpaar umgewandelt wird.

Das Team überwand diese Schwierigkeit mit einem extrem stabilen optischen Aufbau, geringem Hintergrundrauschen, einem Detektionssystem mit höchster Effizienz und viel Geduld. Schließlich gelang es ihnen, genügend Konversionen (eine signifikante Anzahl von Photonenspaltungen) aufzuzeichnen, um das grundlegende Erhaltungsgesetz zu bestätigen.

„Unsere Experimente zeigen, dass MAO tatsächlich erhalten bleibt, selbst wenn der Prozess von einem einzelnen Photon angetrieben wird. Dies bestätigt ein grundlegendes Erhaltungsgesetz auf der grundlegendsten Ebene, das letztlich auf der Symmetrie des Prozesses beruht“, sagte Forscherin Lea Kopf.

Neben der Bestätigung der Bahndrehimpulserhaltung für ein einzelnes Photon beobachtete das Team erste Anzeichen von Quantenverschränkung in den erzeugten Photonenpaaren. Dies deutet darauf hin, dass die Technik erweitert werden könnte, um komplexere photonische Quantenzustände zu erzeugen. „Diese Arbeit ist nicht nur von grundlegender Bedeutung, sondern bringt uns auch einen bedeutenden Schritt in Richtung der Erzeugung neuer Quantenzustände, in denen Photonen auf alle möglichen Arten verschränkt sind, d. h. in Raum, Zeit und Polarisation“, sagte Professor Robert Fickler.

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