Fysik:Ikke alt er, hvor det ser ud til at være

Forskere ved TU Wien, Universitetet i Innsbruck og ÖAW har for første gang demonstreret en bølgeeffekt, der kan føre til målefejl i den optiske positionsvurdering af objekter. Værket nu udgivet i Naturfysik kan få konsekvenser for optisk mikroskopi og optisk astronomi, men kunne også spille en rolle i positionsmålinger ved hjælp af lyd, radar, eller gravitationsbølger.

Med moderne optiske billedbehandlingsteknikker, objekters position kan måles med en præcision, der når nogle få nanometer. Disse teknikker bruges i laboratoriet, for eksempel, at bestemme atomers position i kvanteforsøg.

"Vi ønsker at kende positionen af ​​vores kvantebits meget præcist, så vi kan manipulere og måle dem med laserstråler, " forklarer Gabriel Araneda fra Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Innsbruck.

Et samarbejde mellem fysikere ved TU Wien, Wien, ledet af professor Arno Rauschenbeutel, og forskere ved universitetet i Innsbruck og Institute of Quantum Optics and Quantum Information, ledet af Rainer Blatt, har nu påvist, at der kan opstå en systematisk fejl ved bestemmelse af positionen af ​​partikler, der udsender elliptisk polariseret lys.

"Den elliptiske polarisering får lysets bølgefronter til at have en spiralform og til at ramme billedoptikken i en lille vinkel. Dette fører til det indtryk, at lyskilden er noget væk fra sin faktiske position, " forklarer Yves Colombe fra Rainer Blatts team.

Dette kunne være relevant, for eksempel, inden for biomedicinsk forskning, hvor lysende proteiner eller nanopartikler bruges som markører til at bestemme biologiske strukturer. Den effekt, der nu er blevet bevist, ville muligvis føre til et forvrænget billede af de faktiske strukturer.

Enhver form for bølger kunne vise denne adfærd

For mere end 80 år siden, fysikeren Charles G. Darwin, barnebarn af den britiske naturforsker Charles Darwin, forudsagde denne effekt. Siden den gang, flere teoretiske undersøgelser har underbygget hans forudsigelse. Nu, det har været muligt for første gang tydeligt at bevise bølgeeffekten i eksperimenter, og dette to gange:På universitetet i Innsbruck, fysikere bestemte, gennem enkelt foton emission, positionen af ​​et enkelt bariumatom fanget i en ionfælde. Fysikere ved Atominstitut ved TU Wien (Wien) bestemte positionen af ​​en lille guldkugle, omkring 100 nanometer i størrelse, ved at analysere dets spredte lys. I begge tilfælde der var en forskel mellem den observerede og den faktiske position af partiklen.

"Afvigelsen er i størrelsesordenen af ​​lysets bølgelængde, og den kan tilføje op til en betydelig målefejl i mange applikationer, " siger Stefan Walser fra Arno Rauschenbeutels team. "Lysmikroskopi med superopløsning, for eksempel, er allerede trængt langt ind i nanometerområdet, hvorimod denne effekt kan føre til fejl på flere 100 nanometer."

Forskerne mener, at det er meget sandsynligt, at denne grundlæggende systematiske fejl også vil spille en rolle i disse applikationer, men dette er endnu ikke bevist i separate undersøgelser. Forskerne antager også, at denne effekt ikke kun vil blive observeret med lyskilder, men at radar- eller sonarmålinger, for eksempel, kan også blive påvirket. Effekten kan endda spille en rolle i fremtidige applikationer til positionsvurdering af astronomiske objekter ved hjælp af deres gravitationsbølgeemission.