Ein Laserpuls (rot, von unten kommend), beschleunigt Elektronen (grün), die aus einer dünnen Folie aus Kohlenstoffatomen stammen. Auf die dann mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegenden Elektronen trifft ein weiterer infraroter Lichtpuls. Dieser wird anschließend als Lichtblitz im extremen ultravioletten Bereich des Lichts von den Teilchen reflektiert und dauert nur noch Attosekunden (Illu.). | Copyright: Thorsten Naeser
München (Deutschland) - Was passiert eigentlich, wenn man einen Spiegel, der schließlich Licht reflektiert, in Richtung eines Lichtstrahls auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt? Ein internationales Forscherteam hat dieses Gedankenexperiment, dessen Ergebnis Albert Einstein schon 1905 theoretisch experimentell realisiert und vorhergesagt hat, nun in die Tat umgesetzt. Das Ergebnis bestätigt die Vorhersagen Einsteins - hat aber auch praktische Konsequenzen und Anwendungen.
Wie das Team aus Physikern vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, der Queens University Belfast (QUB) und dem Rutherford Appleton Laboratorium in Oxford (Großbritannien) nun belegen konnte, wird eine dichte Schicht von Elektronen zu einer spiegelnden Oberfläche, wenn sie auf annähernde Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Mit einem Laserpuls beschleunigten die Wissenschaftler Elektronen aus einer nanometerdünnen Folie fast bis auf Lichtgeschwindigkeit. Anschließend reflektierten sie an diesen Elektronen einen zweiten Lichtpuls und realisierten damit die von Einstein in seiner Arbeit "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" beschriebene Theorie experimentell, wonach ein sich sehr schnell bewegender Spiegel die auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung zu kürzeren Wellenlängen verschiebt.
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Wie die Forscher aktuell im Fachmagazin "Nature Communications" berichten, schickten sie einen rund 50 Femtosekunden (= ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde) kurzen, hochintensiven Laserimpuls auf eine dünne Folie aus Kohlenstoffatomen. Dabei "schlugen die Photonen (Lichtteilchen) dieses Pulses aus den Atomen eine dichte Lage aus Elektronen heraus und beschleunigten sie innerhalb eines Mikrometers auf nahezu Lichtgeschwindigkeit."
Damit hatten die Physiker einen so genannten relativistischen Spiegel erschaffen. "Der Spiegel war nur für wenige Femtosekunden stabil", erklärt Daniel Kiefer, der über das Experiment seine Doktorarbeit schrieb. Während dieser extrem kurzen Lebensdauer des Spiegels, ließen die Physiker einen zweiten Femtosekunden-Lichtpuls von der entgegengesetzten Seite auf die rasende Elektronenwand auftreffen. Dieser Puls bestand aus Nahem Infraroten Licht (800 Nanometer Wellenlänge) und dauerte ebenfalls nur wenige Femtosekunden.
Während gewöhnliche Spiegel das einfallende Licht nun unverändert reflektieren, wandele ein Spiegel, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegt, das auftreffende Licht um, erläutert die Pressemitteilung der LMU (uni-muenchen.de). Dabei übertrage der Spiegel den Impuls auf die Photonen (Lichtteilchen) - analog zu einem Ball der durch das Abprallen von einem entgegenkommenden Schläger zu einer höheren Geschwindigkeit getrieben werde.
"Da sich die Photonen aber schon mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, werden sie zu höheren Frequenzen verschoben, ähnlich wie beim Dopplereffekt eines vorbeifahrenden Krankenwagens, dessen Sirene man höher (lauter) bzw. tiefer (leiser) hört, je nachdem ob er auf einen zukommt oder wegfährt. Bei dem Experiment bewirkte die enorme Geschwindigkeit des Spiegels, dass sich das einfallende infrarote Licht umwandelte in extremes, ultraviolettes Licht mit Wellenlängen zwischen 60 bis 80 Nanometer. Ebenso verkürzte sich die Zeitdauer der reflektierten Lichtblitze auf die Größenordnung von einigen 100 Attosekunden (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde)."
Auf diese Weise konnten die Physiker nun nicht nur einen Gedankengang Einsteins experimentell untermauern, sondern haben auch einen neuen Weg gefunden, Attosekunden-Lichtblitze zu produzieren. "Mit solchen Lichtblitzen ist man wiederum in der Lage, Elektronen zu fotografieren, die sich innerhalb solch unvorstellbar kurzen Zeitspannen in Atomen bewegen und damit die noch weitgehend unbekannten, elementarsten Vorgänge in der Natur zu beobachten."
"Mit unseren Experimenten haben wir vorerst nur bewiesen, dass die Theorie auch in der Praxis funktioniert", erklärt Jörg Schreiber. Für Schreiber und sein Team an der LMU ist das erst der Anfang: "Unsere Lasersysteme werden künftig in der Lage sein, immer leistungsstärkere Pulse mit höheren Wiederholungsraten und kürzerer Dauer zu generieren", sagt Schreiber. Damit werden auch die auf diesem Weg erzeugten Attosekunden-Lichtblitze intensiver, kurzwelliger und damit immer besser geeignet sein, den Mikrokosmos zu erforschen. "Der relativistische Spiegel bietet also noch ein enormes Potenzial", ist sich Schreiber sicher.
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Quelle: uni-muenchen.de, mpq.mpg.de