Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Menschen können einzelnes Photon sehen

20.07.2016

Forscher am Wiener Institut für Molekulare Pathologie (IMP) und an der Rockefeller University in New York wiesen erstmals nach, dass Menschen ein einzelnes Photon wahrnehmen können. Für ihre Experimente verwendeten sie eine Quanten-Lichtquelle und kombinierten sie mit einem ausgeklügelten psycho-physikalischen Ansatz. Das Wissenschaftsjournal “Nature Communications” veröffentlicht die Ergebnisse in seiner aktuellen Ausgabe.

Trotz zahreicher Studien, die seit über siebig Jahren zu diesem Thema durchgeführt wurden, konnte die absolute Untergrenze der menschlichen Sehfähigkeit bisher nicht mit Sicherheit bestimmt werden. Aus älteren Untersuchungen weiß man, dass dunkel-adaptierte Versuchspersonen Lichtblitze wahrnehmen können, die aus fünf bis sieben Photonen bestehen. Ob allerdings ein einzelnes Photon sichtbar ist, blieb lange Zeit ungeklärt.


Artist’s interpretation of an entangled photon-pair entering the human eye

IMP

Ein interdisziplinäres Team unter der Leitung des Quantenphysikers Alipasha Vaziri konnte diese Frage nun in aufwändigen Versuchsreihen positiv beantworten. Vaziri ist Associate Professor und Leiter des Laboratory of Neurotechnology & Biophysics an der Rockefeller University und leitet gleichzeitig eine Arbeitsgruppe am IMP in Wien, wo die Experimente mit freiwilligen Probanden durchgeführt wurden.

Erstaunliche Präzision trotz widriger Verhältnisse

“Wir konnten erstmals zeigen, dass das menschliche Auge tatsächlich imstande ist, ein einzelnes Photon zu erkennen”, erklärt Alipasha Vaziri. “das ist wirklich bemerkenswert und zeigt, bis zu welch erstaunlicher Effizienz die Evolution die Empfindlichkeit der Sinnesorgane vorantreiben kann, in diesem Fall bis zur Einheit der physikalischen Größe selbst.”

Was den Physiker besonders fasziniert: „Hier trifft ein Photon, die kleinste Einheit des Lichts, auf ein biologisches System, bestehend aus Milliarden von Zellen. Das extrem schwache Signal durchläuft mehrere Schritte biologischer Singnalverarbeitung bis hin zur bewussten Wahrnehmung und geht trotz aller möglichen Quellen des Rauschens nicht verloren. Zu allem Überfluss ist die Umgebung warm und feucht – normalerweise ein wahrer Albtraum für Messungen auf der Quantenebene. Jeder von Menschen gebaute Detektor müsste stark gekühlt und sorgfältig abgeschirmt werden, um solche Ergebnisse zu liefern.”

Quanten-Lichtquelle erzeugt verschränkte Photonen

Frühere Versuche waren daran gescheitert, dass weder die ausgereifte Technologie zur Verfügung stand noch die passenden psycho-physikalischen Ansätze. Vaziri: “Es ist nicht einfach, Licht zu erzeugen, das aus genau einem oder einer definierten Anzahl von Photonen besteht. In Licht aus klassischen Quellen ist die Photonenenzahl statistisch verteilt. Durch Dimmen kann man nur die mittlere Photonenzahl eines Lichtpulses verringern, die exakte Anzahl ist nicht bestimmbar.”

Das Fehlen geeigneter Lichtquellen war demnach eine große Herausforderung bei der Entwicklung des Versuchsansatzes. Die Forscher lösten das Problem, indem sie eine Lichtquelle konstruierten, die bisher nur im Bereich der Quantenoptik und Quanteninformation zum Einsatz kam. Das Prinzip basiert auf der sogenannten spontanen parametrischen Fluoreszenz, bei der ein energiereiches Photon in einem optischen Kristall spontan in zwei verschränkte Photonen mit niedrigerer Energie zerfällt, wobei die Summe der Energien der beiden Photonen der des ursprünglichen entspricht. Im Versuch wurde jeweils eines der Photonen zum Auge der Versuchsperson geleitet, während das andere gleichzeitig auf einen Detektor traf.

„Das Set-up dieser Kamera war eine harte Nuss“, erzählt Co-Erstautor Jonathan Tinsley, der als Master-Student einen Teil der Experimente durchführte. „Außerdem mussten wir für die Versuche spezielle Dunkelkammern bauen, die Licht und Geräusche perfekt abschirmten.“ Insgesamt wurde etwa neun Monate an dem Versuchsaufbau gearbeitet.

Erster Hinweis auf Wahrnehmung einzelner Photonen

Für die Auswertung der Versuche wählten die Forscher ein Protokoll, das in diesem Zusammenhang erstmals zum Einsatz kam. Sie bedienten sich der Methode der erzwungenen Wahl (two-alternative forced-choice, 2AFC), bei der die Probanden bei jedem Durchgang aus zwei Alternativen wählen müssen. Konkret mussten sich die Versuchspersonen zwischen zwei Zeitintervallen entscheiden, von denen nur in einem ein Photon aufblitzte. Mehr als 30 000 solcher Durchgänge wurden schließlich ausgewertet und zeigten mit statistischer Signifikanz, dass einzelne Photonen vom menschliche Auge wahrgenommen werden können.

Neben dieser Erkenntnis lieferten die Versuche ein weiteres unerwartetes Ergebnis: die Chance, ein Photon wahrzunehmen, stieg an, wenn kurz zuvor bereits ein Photon ins Auge eingetroffen war. In Folgeexperimenten wollen die Forscher klären, wie dieses Phänomen zustande kommt. Daneben eröffnen sich zahlreiche weitere Fragen: Wie können biologische Systeme derartige Empfindichkeit und Präzision entwickeln? Wie werden die schwachen Signale aus dem Hintergrundrauschen herausgefiltert? Sind die beobachteten Phänomene auf den Sehsinn beschränkt oder liefern sie allgemeine Erkenntnisse zur Signalverarbeitung in Lebewesen? Alipasha Vaziri und sein Team werden diesen Fragen in den kommenden Jahren auf den Grund gehen.


Originalpublikation
Jonathan N. Tinsley, Maxim I. Molodtsov, Robert Prevedel, David Wartmann, Jofre Espigulé-Pons, Mattias Lauwers and Alipasha Vaziri: Direct Detection of a Single Photon by Humans. Nature Communications, 19 July, 2016. DOI: 10.1038/ncomms12172.

Pressekontakt IMP
Dr. Heidemarie Hurtl
IMP Communications
Research Institute of Molecular Pathology
+43 (0)1 79730 3625
hurtl@imp.ac.at

Pressekontakt Rockefeller University
Zach Veilleux
Communications and Public Affairs
The Rockefeller University
+1-212-327-8982 o
+1-347-978-4723 m
zveilleux@rockefeller.edu

http://www.imp.ac.at

Dr. Heidemarie Hurtl | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: IMP Molekulare Pathologie Pathologie Photon Quantenebene

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt
25.05.2018 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Nanopartikel aus Kläranlagen - vorläufige Entwarnung
02.05.2018 | Universität Siegen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics