News: Lichtgeschwindigkeit nach Belieben
Seit einigen Jahren führen uns Wissenschaftler mit meist aufwändigen Experimenten vor, wie man Licht abbremsen oder sogar "überlichtschnell" beschleunigen kann. Und manchmal geht das offenbar auch recht einfach.
© (Ausschnitt)
Nichts ist schneller als Licht. Zumindest gilt das im Vakuum, wo sich elektromagnetische Wellen mit fast 300 000 Kilometern pro Sekunde ausbreiten. In Materie sieht alles schon ein wenig anders aus. Hier wird Licht meist aufgrund von Wechselwirkungen mit den Elektronen der Atome abgebremst. Die Ausbreitungs- oder Phasengeschwindigkeit fällt entsprechend geringer aus und ist nicht mehr gleich der Gruppengeschwindigkeit, mit welcher sich der Schwerpunkt eines Wellenpakets – beispielsweise eines Lichtpulses – fortbewegt.
Wenngleich die Lichtgeschwindigkeit in Materie kleiner als im Vakuum ausfällt, so ist sie doch unter normalen Bedingungen noch unvorstellbar groß. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mit aufwändigen Experimenten indes gezeigt, dass sich Licht auch auf vergleichsweise geringe Geschwindigkeiten abbremsen, ganz stoppen oder sogar überlichtschnell beschleunigen lässt. Letzteres freilich ohne die Spezielle Relativitätstheorie zu verletzen, denn nur die Gruppengeschwindigkeit übertraf die physikalische Grenzgröße. Das allein reicht jedoch nicht, um Energie- oder Signaltransport überlichtschnell durchzuführen, womit kein Grund besteht, alte Theorien über den Haufen zu werfen.
Matthew Bigelow, Nick Lepeshkin und Robert Boyd von der University of Rochester beschreiten seit einiger Zeit neue Wege beim Experimentieren mit Licht. Die Forscher schicken zwei Laserstrahlen bei Raumtemperatur durch einen Kristall und können durch geschickte Wahl der Wellenlängen und entsprechender Modulation der Intensität Licht abbremsen. Ein vergleichsweise einfacher Versuch, da die Physiker nicht mit kalten oder heißen Gasen hantieren müssen, sondern Festkörper bei Raumtemperatur verwenden.
Die Theorie ist hingegen kompliziert. So machen sich die Forscher zunutze, dass die optisch aktiven Atome in dem Kristall ein Zwei-Niveau-System bilden. Der erste Laserstrahl – der Pumpstrahl – sorgt durch Anregung in diesem System für ein "Loch" im Absorptionspektrum des Materials. Wenn man so will, wird der Kristall also in einem engen Spektralbereich etwas transparenter. Das ist gleichzeitig mit einer erheblichen Änderung im Brechungsindex verbunden, was wiederum den bremsenden Effekt bewirkt.
Während die Wissenschaftler Anfang des Jahres noch einen Rubin-Kristall für dieses Experiment wählten, entschieden sie sich nun für einen Alexandrit-Kristall (Beryllium-Aluminat). Hier konnten die Forscher nicht nur Licht abbremsen, diesmal auf 91 Meter pro Sekunde, sondern sogar mit minus 800 Metern pro Sekunde bewegen lassen. Das Licht hatte also – rein rechnerisch – den Kristall verlassen, bevor es in ihn eingedrungen war. Wie gesagt, ohne die Relativitätstheorie zu verletzen, denn allein die Gruppengeschwindigkeit lieferte einen solch ungewohnten Messwert. Erreichen konnten das Bigelow und sein Team, indem sie mit einer etwas geringeren Pumpwellenlänge auf den Kristall schossen und so ein "Anti-Loch" in das Absorptionsspektrum brannten – sie schufen also eine künstlich erhöhte Absorptionsbande im Spektrum, die für den Geschwindigkeitszuwachs verantwortlich war.
Und was bringen diese Spielereien? Die Quantenphysiker Marlan Scully und Suhail Zubairy von der Texas A&M University sehen in der vorgestellten Methode vor allem ein weiteres Werkzeug der Quantenoptik. Welche Anwendungen derlei Experimente einmal hervorbringen können, ist heute noch kaum abzusehen.
Wenngleich die Lichtgeschwindigkeit in Materie kleiner als im Vakuum ausfällt, so ist sie doch unter normalen Bedingungen noch unvorstellbar groß. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mit aufwändigen Experimenten indes gezeigt, dass sich Licht auch auf vergleichsweise geringe Geschwindigkeiten abbremsen, ganz stoppen oder sogar überlichtschnell beschleunigen lässt. Letzteres freilich ohne die Spezielle Relativitätstheorie zu verletzen, denn nur die Gruppengeschwindigkeit übertraf die physikalische Grenzgröße. Das allein reicht jedoch nicht, um Energie- oder Signaltransport überlichtschnell durchzuführen, womit kein Grund besteht, alte Theorien über den Haufen zu werfen.
Matthew Bigelow, Nick Lepeshkin und Robert Boyd von der University of Rochester beschreiten seit einiger Zeit neue Wege beim Experimentieren mit Licht. Die Forscher schicken zwei Laserstrahlen bei Raumtemperatur durch einen Kristall und können durch geschickte Wahl der Wellenlängen und entsprechender Modulation der Intensität Licht abbremsen. Ein vergleichsweise einfacher Versuch, da die Physiker nicht mit kalten oder heißen Gasen hantieren müssen, sondern Festkörper bei Raumtemperatur verwenden.
Die Theorie ist hingegen kompliziert. So machen sich die Forscher zunutze, dass die optisch aktiven Atome in dem Kristall ein Zwei-Niveau-System bilden. Der erste Laserstrahl – der Pumpstrahl – sorgt durch Anregung in diesem System für ein "Loch" im Absorptionspektrum des Materials. Wenn man so will, wird der Kristall also in einem engen Spektralbereich etwas transparenter. Das ist gleichzeitig mit einer erheblichen Änderung im Brechungsindex verbunden, was wiederum den bremsenden Effekt bewirkt.
Während die Wissenschaftler Anfang des Jahres noch einen Rubin-Kristall für dieses Experiment wählten, entschieden sie sich nun für einen Alexandrit-Kristall (Beryllium-Aluminat). Hier konnten die Forscher nicht nur Licht abbremsen, diesmal auf 91 Meter pro Sekunde, sondern sogar mit minus 800 Metern pro Sekunde bewegen lassen. Das Licht hatte also – rein rechnerisch – den Kristall verlassen, bevor es in ihn eingedrungen war. Wie gesagt, ohne die Relativitätstheorie zu verletzen, denn allein die Gruppengeschwindigkeit lieferte einen solch ungewohnten Messwert. Erreichen konnten das Bigelow und sein Team, indem sie mit einer etwas geringeren Pumpwellenlänge auf den Kristall schossen und so ein "Anti-Loch" in das Absorptionsspektrum brannten – sie schufen also eine künstlich erhöhte Absorptionsbande im Spektrum, die für den Geschwindigkeitszuwachs verantwortlich war.
Und was bringen diese Spielereien? Die Quantenphysiker Marlan Scully und Suhail Zubairy von der Texas A&M University sehen in der vorgestellten Methode vor allem ein weiteres Werkzeug der Quantenoptik. Welche Anwendungen derlei Experimente einmal hervorbringen können, ist heute noch kaum abzusehen.
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