Interstellarer Antrieb: Physiker messen erstmals Impulsübertragung eines Lasers auf dichtes Material

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Künstlerische Darstellung eines auf einen Messspiegel auftreffenden Lasers (Illu.).

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Okanagan (Kanada) – Kanadische Physiker haben das 150 Jahre altes Rätsel gelöst, wie Licht mechanischen Druck auf Feststoffe ausüben kann. Die Entdeckung könnte unter anderem auch dabei behilflich sein, die angedachten und von Lasern angetriebenen interstellaren Lichtsegel-Sonden zu unseren Nachbarsternen befördern.

„Schon 1619 vermutete Johannes Kepler, dass der Druck des Sonnenlichts Kometenschweife so zusammendrückt, dass sie stehst von der Sonne wegweisen“, erläutert Kenneth Chau vom Okanagan-Campus der University of British Columbia gemeinsam mit Kollegen aktuell im Fachjournal „Nature Communications“ (DOI: 10.1038/s41467-018-05706-3). „Danach dauerte es bis 1873 bis James Clerk Maxwell vorhersagte, dass der Strahlungsdruck des Lichts durch jenen Impuls verursacht wird, den die elektromagnetischen Felder des Lichts selbst besitzen. (…) Bis heute war aber noch völlig unklar, wie dieser Impuls in Kraft oder Bewegung umgesetzt wird.“

Der Grund hierfür war, dass dieser Impuls des Lichts derart gering ist, dass Physiker bislang keine Möglichkeit hatten, diesen genau genug zu messen, um so das Rätsel zu lösen. Gemeinsam mit Kollegen aus Slowenien und Brasilien, gelang es dem Team um Chau nun, genau dies zu tun und die extrem schwachen Wechselwirkungen zwischen Lichtphotonen und einem Messspiegel zu messen.

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Abgeschirmt von externer Hitze, um so auch Interferenzen von außen auszuschließen, beschossen die Physiker den Spiegel mit einem Laser und nutzen akustische Sensoren um jene elastischen Wellen zu messen, die sich beim Auftreten der Laserpulse über der Oberfläche des Spiegels ausbreiteten – ganz so wie die kreisförmigen Wellen in einem Teich.

„Zwar können wir nicht den Photonenimpuls selbst direkt messen, dafür aber dessen Effekt auf dem Spiegel“, erläutert Chau. „Hierbei waren wir in der Lage, die Merkmale dieser Wellen auf den sie verursachenden Lichtimpuls zurückzurechnen und so eine Tür für die Entwicklung eines Modells darüber zu öffnen, wie der Lichtimpuls auf und im Innern fester Materialien wirkt.“


Symbolbild: Von einem Lichtsegel angetrieben, sollen Miniatursonden schon innerhalb von 20 Jahren die nächsten Nachbarsterne unserer Sonne, Alpha Centauri A, B, Proxima Centauri und dortige Planeten erreichen (Illu.).

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Laut Chau und Kollegen ist die Entdeckung von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis von Licht, habe aber auch ganz praktische Anwendungsmöglichkeiten, wenn es um den Einsatz von Strahlungsdruck gehe: „Wenn wir beispielsweise mit von Lichtsegeln angetriebenen Schiffen zu nahen oder fernen Sternen reisen (…GreWi berichtete) oder optische Pinzetten für miniaturisierte Maschinen entwickeln wollen, könnte diese Entdeckung nun ein wichtiger Schritt in diese Richtung sein. Noch sind wir zwar nicht so weit, aber es wird sicherlich noch spannend zu sehen, wohin die Reise jetzt geht.“

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