„Doppelspalt“-Experiment enthüllt verborgene Details zwischen Licht und Materie

Ein Regenbogen macht durch Farben sichtbar, wie Licht von Wassertropfen gebrochen wird – ein physikalischer Effekt, der auch Technologien wie LCD-Bildschirme oder Glasfaseranschlüsse ermöglicht. Diese Lichtbrechung entsteht durch Wechselwirkungen zwischen Licht und Atomen, wodurch die Lichtwellen leicht aus dem Takt geraten. Während dieser Effekt bei Röntgenlicht schwer nachzuweisen ist, bietet ein neues Miniatur-Messgerät nun einen entscheidenden Zugang: Forschende der Universitäten Göttingen und Hamburg haben gemeinsam mit Partnern das weltweit kleinste Röntgen-Interferometer konstruiert. Damit gelang es ihnen erstmals, die Brechung von extrem schmalen Röntgenstrahlen präzise zu vermessen und daraus Rückschlüsse auf deren Interaktion mit Atomkernen zu ziehen.

Quanteninteraktion einzelner Photonen

Das neue Röntgen-Interferometer basiert auf dem Prinzip des berühmten Doppelspalt-Experiments, das laut Nobelpreisträger Richard Feynman das „Herz der Quantenmechanik“ darstellt. „Unser Röntgen-Interferometer ist wohl das kleinste Interferometer der Welt: Die beiden Spalte liegen nur 50 Nanometer auseinander; das entspricht etwa einem Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares“, sagt Dr. Leon M. Lohse. Für ihre Experimente nutzten die Forschenden die Europäische Synchrotronstrahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble, um die Eigenschaften dieses winzigen Messgeräts zu testen.

In einen der beiden Spalte brachten die Forschenden Atome des Eisen-Isotops ⁵⁷Fe ein, um deren Wirkung zu untersuchen. „Das faszinierende ist: Wir haben das Experiment größtenteils mit einzelnen Photonen der Röntgenstrahlung durchgeführt“, so Lohse. Jedes dieser Lichtteilchen durchquert gleichzeitig beide Spalte und interagiert in einem davon mit den Eisen-Atomkernen. Hinter der Apparatur entstehen dadurch charakteristische Muster, die eine präzise Bestimmung der Lichtbrechung erlauben. Aus diesen Daten konnten die Wissenschaftler schließlich exakte Rückschlüsse auf die Wechselwirkung zwischen den Röntgen-Photonen und den Eisen-Atomen ziehen.

Präzisionsmessung extrem kurzer Wellen

Der Bau von Interferometern für Röntgenstrahlung gilt als besondere Herausforderung, da diese extrem präzise arbeiten müssen. „Röntgen-Lichtwellen“ weisen eine deutlich schwächere Brechung auf und sind etwa tausendmal kürzer als sichtbares Licht – sogar kürzer als der typische Abstand zwischen Atomen in der Materie. Dennoch ist ihre Brechung von hoher Relevanz, da sie beispielsweise in der Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung detailreiche, zerstörungsfreie 3D-Bilder biologischer Proben ermöglicht. Zudem verbergen sich in der Lichtbrechung präzise Informationen über die Anordnung und Art der enthaltenen Atome, welche für die Forschung bisher nur schwer zugänglich waren.

Neue Horizonte für die Röntgenoptik

„Unser Experiment eröffnet zahlreiche Perspektiven“, erklärt Prof. Dr. Tim Salditt. „Es demonstriert, wie Lichtbrechung Informationen liefert, die aus der sonst gemessenen Abschwächung des Lichts nicht hervorgehen – insbesondere im Zusammenhang mit atomaren Resonanzen.“ Die Arbeit schafft zudem das Fundament, um den Brechungsindex verschiedener Elemente für Röntgenstrahlung künftig systematisch und mit hoher Präzision zu bestimmen. Perspektivisch sieht das Forschungsteam in dieser Technologie sogar die Basis für die Entwicklung „integrierter optischer Schaltkreise“, die speziell für den Einsatz mit Röntgenstrahlung konzipiert sind.

Quelle

Georg-August-Universität Göttingen (04/2026)