Wetenschappers van de TU Wien, de Universiteit van Innsbruck en de ÖAW hebben voor het eerst een golfeffect aangetoond dat kan leiden tot meetfouten in de optische positiebepaling van objecten. Het werk dat nu is gepubliceerd in Natuurfysica gevolgen kunnen hebben voor optische microscopie en optische astronomie, maar zou ook een rol kunnen spelen bij positiemetingen met geluid, radar, of zwaartekrachtgolven.

Met moderne optische beeldvormingstechnieken, de positie van objecten kan worden gemeten met een precisie die enkele nanometers bereikt. Deze technieken worden gebruikt in het laboratorium, bijvoorbeeld, om de positie van atomen in kwantumexperimenten te bepalen.

"We willen de positie van onze kwantumbits heel precies weten, zodat we ze kunnen manipuleren en meten met laserstralen, ", legt Gabriel Araneda van de afdeling Experimentele Fysica van de Universiteit van Innsbruck uit.

Een samenwerking tussen natuurkundigen van de TU Wien, Wenen, onder leiding van professor Arno Rauschenbeutel, en onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck en het Institute of Quantum Optics and Quantum Information, onder leiding van Rainer Blatt, heeft nu aangetoond dat er een systematische fout kan optreden bij het bepalen van de positie van deeltjes die elliptisch gepolariseerd licht uitzenden.

"De elliptische polarisatie zorgt ervoor dat de golffronten van het licht een spiraalvorm hebben en de beeldvormende optica onder een kleine hoek raken. Dit leidt tot de indruk dat de lichtbron enigszins afwijkt van zijn werkelijke positie, ", legt Yves Colombe van het team van Rainer Blatt uit.

Dit kan relevant zijn, bijvoorbeeld, in biomedisch onderzoek, waar lichtgevende eiwitten of nanodeeltjes worden gebruikt als markers om biologische structuren te bepalen. Het nu bewezen effect zou mogelijk leiden tot een vertekend beeld van de feitelijke constructies.

Elke vorm van golven kan dit gedrag vertonen

Meer dan 80 jaar geleden, de natuurkundige Charles G. Darwin, kleinzoon van de Britse natuurwetenschapper Charles Darwin, dit effect voorspeld. Sinds die tijd, verschillende theoretische studies hebben zijn voorspelling onderbouwd. Nutsvoorzieningen, het is voor het eerst mogelijk geweest om het golfeffect in experimenten duidelijk te bewijzen, en dit twee keer:aan de universiteit van Innsbruck, natuurkundigen bepaalden, door enkelvoudige fotonenemissie, de positie van een enkel bariumatoom gevangen in een ionenval. Natuurkundigen van het Atominstitut van de TU Wien (Wenen) bepaalden de positie van een kleine gouden bol, ongeveer 100 nanometer groot, door het verstrooide licht te analyseren. In beide gevallen, er was een verschil tussen de waargenomen en de werkelijke positie van het deeltje.

"De afwijking ligt in de orde van de golflengte van het licht en kan in veel toepassingen oplopen tot een aanzienlijke meetfout, " zegt Stefan Walser van het team van Arno Rauschenbeutel. "Superresolutie lichtmicroscopie, bijvoorbeeld, is al tot ver in het nanometerbereik doorgedrongen, terwijl dit effect kan leiden tot fouten van enkele 100 nanometers."

De wetenschappers achten het zeer waarschijnlijk dat deze fundamentele systematische fout ook een rol zal spelen bij deze toepassingen, maar dit moet nog worden bewezen in afzonderlijke studies. De onderzoekers gaan er ook van uit dat dit effect niet alleen bij lichtbronnen zal worden waargenomen, maar dat radar- of sonarmetingen, bijvoorbeeld, kan ook worden beïnvloed. Het effect zou zelfs een rol kunnen spelen in toekomstige toepassingen voor de positiebepaling van astronomische objecten met behulp van hun emissie van zwaartekrachtgolven.