Forschung & Entwicklung

Systematischer Messfehler in der Optik nachgewiesen

Erstmals konnten Forscher einen Welleneffekt bei optischen Abbildungen nachweisen, der zu Messfehlern im Bereich hunderter Nanometer bei der Positionsbestimmung von Objekten führen kann.

Mit modernen optischen Bildgebungsverfahren lassen sich heute selbst Nanoobjekte gut vermessen. Diese Techniken werden im Labor zum Beispiel auch dazu verwendet, die räumliche Positionierung von Atomen in einem Quantenexperiment zu bestimmen.

In einer Kooperation von Physikern der TU Wien um Arno Rauschenbeutel sowie Forschern der Universität Innsbruck und des ÖAW-Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation um Rainer Blatt wurde nun nachgewiesen, dass es zu einem systematischen Messfehler kommen kann, wenn die Position eines Objekts bestimmt wird, das elliptisch polarisiertes Licht aussendet. Die elliptische Polarisation erzeugt eine spiralförmige Wellenfront des Lichts, die leicht schief auf die Abbildungsoptik fällt. Dadurch entsteht der Eindruck, dass die Quelle des Lichts etwas abseits seiner tatsächlichen Position liegt.

Bereits vor über 80 Jahren hat der Physiker Charles G. Darwin, ein Enkel des britischen Naturforschers Charles Darwin, diesen Effekt vorhergesagt. Mehrere Arbeiten hatten dessen Vermutung inzwischen theoretisch untermauert. Nun ist es erstmals gelungen, den Welleneffekt im Experiment eindeutig nachzuweisen, und das gleich zweimal: An der Universität Innsbruck ermittelten die Physiker die Position eines einzelnen Bariumatoms, das in einer Ionenfalle gefangen war, durch Einzelphotonenemission. Die Physiker am Atominstitut der TU Wien bestimmten die Position eines winzigen, etwa 100 Nanometer großen Goldkügelchens, indem sie das von ihm gestreute Licht analysierten. In beiden Fällen zeigte sich eine Differenz zwischen der beobachteten und der tatsächlichen Position der Teilchen.

Laut den Wissenschaftlern liegt die Abweichung in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts, was in vielen Anwendungen einem erheblichen Messfehler entsprechen würde. Die hochauflösende Lichtmikroskopie zum Beispiel ist heute bereits weit in den Nanometerbereich vorgedrungen, während dieser Effekt zu Fehlern von mehreren 100 Nanometern führen kann.

Dass dieser grundlegende systematische Fehler in diesen Anwendungen eine Rolle spielt, halten die Wissenschaftler für sehr wahrscheinlich, muss aber erst noch in eigenen Studien belegt werden. Relevant könnte dies zum Beispiel in der biomedizinischen Forschung sein, wo zur Bestimmung von biologischen Strukturen fluoreszierende Proteine oder Nanoteilchen als Marker verwendet werden. Der nun nachgewiesene Effekt würde hier zu einem verzerrten Abbild der tatsächlichen Strukturen führen.

Die Wissenschaftler gehen auch davon aus, dass sich dieser Effekt nicht nur bei Lichtquellen zeigt, sondern dass zum Beispiel auch Radar- oder Sonarmessungen davon betroffen sind. Selbst bei der Positionsbestimmung von astronomischen Objekten mit Hilfe von Gravitationswellen könnte dieser Effekt eine Rolle spielen.

Die Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Union und der Industriellenvereinigung Tirol finanziell unterstützt.

von mg

Originalveröffentlichung:
[G. Araneda, S. Walser, Y. Colombe, D. B. Higginbottom, J. Volz, R. Blatt, und A. Rauschenbeutel, Wavelength-scale errors in optical localization due to spin-orbit coupling of light, Nat. Phys. (2018), DOI: 10.1038/s41567-018-0301-y]

www.uibk.ac.at

www.tuwien.ac.at

iqoqi.at/de

© photonik.de 2018 - Alle Rechte vorbehalten