© Fabrizio Carbone/EPFL
Tutkijat onnistuivat tallentamaan valon hiukkas- että aaltoluonteen samaan kuvaan.
110 vuotta sitten Albert Einstein oivalsi, että valon erikoiset ominaisuudet johtuvat sen kaksinaisesta luonteesta: valo on sekä aaltoja että hiukkasia. Kun säteily lankeaa metallipinnalle, se irrottaa atomeista elektroneja.

Einsteinin selitys tälle "valosähköiselle ilmiölle" toi hänelle vuonna 1921 Nobelin palkinnon, ei suinkaan suhteellisuusteorian kehittäminen. Valon ja ylipäätään sähkömagneettisen säteilyn kaksoisluonne tulee esiin monissa yhteyksissä ja runsaan vuosisadan aikana molemmat ominaisuudet on pystytty havaitsemaan useilla eri tavoilla.

Aiemmin ei kuitenkaan ole saatu näkyviin sekä aalto- että hiukkasluonnetta yhtä aikaa. Lausannen teknillisessä korkeakoulussa (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) on nyt saatu napattua kuva, jossa näkyvät molemmat valon ominaisuudet. Kokeessa laserpulssi ammuttiin metalliseen nanolankaan, jolloin siinä olevat varatut hiukkaset alkoivat värähdellä.

Lankaan syntyi seisova aalto, joka puolestaan sai langan lähettämään ympärilleen säteilyä. Sen jälkeen lankaan suunnattiin elektronisuihku. Kun elektronit osuivat langan säteilemään valoon, niiden nopeus kiihtyi tai hidastui. Elektronimikroskoopin avulla onnistuttiin kuvaamaan kohta, jossa elektronien nopeus muuttui, jolloin saatiin näkyviin valonlähteenä toimiva seisova aalto.

Samalla kun elektronit kulkivat seisovan aallon ohi, jotkut niistä osuivat säteilyhiukkasiin eli fotoneihin. Juuri se aiheutti elektronien nopeuden muuttumisen: elektronien ja fotonien välillä siirtyi energiaa tietynkokoisina paketteina, kvantteina. Näin samassa kuvassa näkyy myös valon hiukkasluonne.

Fabrizio Carbonen johtaman tutkijaryhmän mukaan koe osoittaa, että kvanttimekaniikan paradoksaalisia ominaisuuksia - kuten säteilyn olemus sekä hiukkasina että aaltoina - on mahdollista kuvata suoraan. Sillä on puolestaan merkitystä esimerkiksi kvanttitietokoneiden kehitystyön kannalta, sillä kokeen perusteella on mahdollista "nähdä" ja siten hallita kvantti-ilmiöitä nanomaailman mittakaavassa.

Kuvauksessa käytettiin EPFL:n huippunopeaa transmissioelektronimikroskooppia, joita on maailmassa ainoastaan kaksi. Tutkimuksessa olivat mukana myös Trinity College ja Lawrence Livermore National Laboratory. Tuloksista kerrottiin EPFL:n sivuilla ja ne julkaistiin Nature Communications -lehdessä 2. maaliskuuta.