Forskare vid TU Wien, universitetet i Innsbruck och ÖAW har för första gången visat upp en vågeffekt som kan leda till mätfel vid objektivets uppskattning av optisk position. Verket publiceras nu i Naturfysik kan få konsekvenser för optisk mikroskopi och optisk astronomi, men kan också spela en roll vid positionsmätningar med hjälp av ljud, radar, eller gravitationella vågor.

Med moderna optiska bildtekniker, objektens position kan mätas med en precision som når några nanometer. Dessa tekniker används i laboratoriet, till exempel, för att bestämma atomernas position i kvantexperiment.

"Vi vill veta positionen för våra kvantbitar mycket exakt så att vi kan manipulera och mäta dem med laserstrålar, "förklarar Gabriel Araneda från Institutionen för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck.

Ett samarbete mellan fysiker vid TU Wien, Wien, ledd av professor Arno Rauschenbeutel, och forskare vid University of Innsbruck och Institute of Quantum Optics and Quantum Information, ledd av Rainer Blatt, har nu visat att ett systematiskt fel kan uppstå vid bestämning av positionen för partiklar som avger elliptiskt polariserat ljus.

"Den elliptiska polarisationen gör att ljusets vågfronter har en spiralform och träffar bildoptiken i en liten vinkel. Detta leder till intrycket att ljuskällan är något utanför dess faktiska position, "förklarar Yves Colombe från Rainer Blatts team.

Detta kan vara relevant, till exempel, inom biomedicinsk forskning, där lysande proteiner eller nanopartiklar används som markörer för att bestämma biologiska strukturer. Den effekt som nu har bevisats skulle möjligen leda till en förvrängd bild av de faktiska strukturerna.

Alla slags vågor kan visa detta beteende

För mer än 80 år sedan, fysikern Charles G. Darwin, sonson till den brittiske naturforskaren Charles Darwin, förutspådde denna effekt. Sen den tiden, flera teoretiska studier har underbyggt hans förutsägelse. Nu, det har varit möjligt för första gången att tydligt bevisa vågeffekten i experiment, och detta två gånger:Vid universitetet i Innsbruck, fysiker bestämda, genom enstaka fotonemission, positionen för en enda bariumatom fångad i en jonfälla. Fysiker vid Atominstitut från TU Wien (Wien) bestämde positionen för en liten guldkula, cirka 100 nanometer i storlek, genom att analysera dess spridda ljus. I båda fallen, det fanns en skillnad mellan den observerade och den faktiska positionen för partikeln.

"Avvikelsen är i storleksordningen för ljusets våglängd och det kan utgöra ett avsevärt mätfel i många applikationer, "säger Stefan Walser från Arno Rauschenbeutels team." Ljusmikroskopi med superupplösning, till exempel, har redan trängt in långt i nanometerområdet, Denna effekt kan leda till fel på flera 100 nanometer. "

Forskarna tror att det är mycket troligt att detta grundläggande systematiska fel också kommer att spela en roll i dessa applikationer, men detta har ännu inte bevisats i separata studier. Forskarna antar också att denna effekt inte bara kommer att observeras med ljuskällor, men den radar- eller ekolodsmätningen, till exempel, kan också påverkas. Effekten kan till och med spela en roll i framtida tillämpningar för positionsuppskattning av astronomiska föremål med hjälp av deras gravitationsvågor.