Ein Photon ist die kleinstmögliche Energieform in einem elektromagnetischen Feld, das wir als Licht kennen. Das Photon ist also ein winziges Päckchen Lichtenergie. Dabei hat es keine Masse und bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, also rund 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Was Photonen besonders schwer zu fassen macht, ist ihre sogenannte Welle-Teilchen-Dualität. Je nachdem, wie wir sie betrachten, können sie entweder wie winzige Teilchen oder wie Wellen wirken. Dieses nur in der Quantenphysik mögliche Doppelleben hat der Wissenschaft seit langem Rätsel aufgegeben. Und diese Dualität macht es zudem schwierig, einem Photon eine bestimmte Form zuzuweisen.

Noch schwieriger wird es dadurch, dass es unendlich viele Möglichkeiten gibt, wie Licht mit seiner Umgebung und mit den Atomen, die es aussenden, interagieren kann. Mit all diesen Fragen befasst sich eine neue Arbeit unter der Leitung des Physikers Benjamin Yuen von der Universität Birmingham.

Die im Wissenschaftsmagazin Physical Review Letters veröffentlichte Studie beschreibt äußerst, wie diese Lichtquanten von Atomen emittiert und durch ihre Umgebung definiert werden. Zwar gibt es unendlich viele Möglichkeiten, wie sich diese Wechselwirkungen entfalten könnten, aber Yuens Team glaubt, eine praktikable Methode entwickelt zu haben, um sie vorherzusagen.

Dabei bedienen sie sich einer gewissen Vereinfachung. Es sei ihnen gelungen, die Vielzahl der Möglichkeiten mithilfe der klassischen Mechanik auf diskrete Mengen zu reduzieren.

„Unsere Berechnungen ermöglichten es uns, ein scheinbar unlösbares Problem in etwas umzuwandeln, das berechnet werden kann“, sagt Yuen und ergänzt: „Fast als Nebenprodukt des Modells konnten wir dieses Bild eines Photons erzeugen – etwas, das es in der Physik noch nie zuvor gab.“

Mithilfe der vereinfachten Modellierung konnte Yuens Team überdies genau beschreiben, wie sich die Photonen in einem entfernten Bereich des elektromagnetischen Feldes bewegen, das ein Objekt umgibt, das als Fernfeld bekannt ist. Bei früheren Versuchen wurde entweder das Nahfeld oder das Fernfeld betrachtet, was zwangsläufig zu einem unvollständigen Bild der Lichtsysteme auf Quantenebene führen musste.

„Diese Arbeit hilft uns, unser Verständnis des Energieaustauschs zwischen Licht und Materie zu verbessern und zweitens besser zu verstehen, wie Licht in seine nahe und ferne Umgebung ausstrahlt“, so Yuen. „Viele dieser Informationen wurden früher nur als Rauschen betrachtet – aber sie enthalten so viele Informationen, dass wir sie jetzt verstehen und nutzen können.“

Dieses verbesserte Verständnis kann sich sehr praktisch auswirken, sind sich die Forscher:innen sicher. Laut Yuen könnte es die Entwicklung der nanooptischen Technologie verändern und zu „verbesserten fotovoltaischen Energiezellen oder Quantencomputern“ und zu Fortschritten in der Kommunikationstechnologie führen.