Die Quantentheorie sagt die seltsamsten Dinge voraus: von Teilchen, die aus dem Nichts entstehen, bis hin zu Lichtstrahlen, die aneinander streuen, ähnlich wie bei den fiktiven Laserschwertern von »Star Wars«. Diese Vorhersagen lassen sich aber nur mit extrem intensivem Laserlicht testen. Deshalb arbeiten mehrere Forschungsteams weltweit daran, leistungsstarke Lasersysteme zu schaffen. Diese kamen allerdings nie an die Energien heran, die laut theoretischen Berechnungen möglich sein sollten. 

Das könnte sich nun ändern. Wie ein Team um den Physiker Robin Timmis von der University of Oxford in einer in »Nature« erschienenen Studie berichtet, konnten die Wissenschaftler die theoretisch vorhergesagten Verbesserungen im Labor umsetzen. »Diese Arbeit ist eine Kombination aus Lasertechnologie, Plasmaphysik und Materialwissenschaft, die eine seit mehr als zwei Jahrzehnten bestehende Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment beseitigt«, sagt Brendan Dromey, Co-Autor der neuen Arbeit. Mit ihren Erkenntnissen könnten jetzt die bislang stärksten Laserstrahlen im Labor erzeugt werden.

Ein Plasma als schwingender Spiegel

Die Fachleute um Timmis und Dromey nutzten den Gemini-Laser der britischen Central Laser Facility am Rutherford Appleton Laboratory und richteten den intensiven Strahl auf ein Plasma. Dadurch begannen die geladenen Teilchen des Plasmas extrem schnell zu schwingen – so schnell, dass sie nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichten. Die Teilchenwolke wirkte dabei wie ein extrem schnell schwingender Spiegel: Das Licht wurde dadurch auf hohe Energien verstärkt, ein Phänomen, das als Erzeugung hoher Harmonischer bekannt ist.

Theoretischen Berechnungen zufolge müsste sich noch mehr aus dem Plasma herausholen lassen. Richtig konfiguriert, müsste es wie eine Lupe wirken können und die Lichtstrahlen auf einen einzigen Punkt bündeln, sodass dort extrem hohe Energien entstehen. Doch ein solcher»kohärenter harmonischer Fokus« blieb im Labor bislang aus.

Die Forschenden um Timmis haben nun erstmals gezeigt, dass sich dieser Mechanismus realisieren lässt. Sie erzeugten durch die genaue Abstimmung von Laser und Plasma den gewünschten Effekt, konnten aber noch nicht alle experimentellen Bedingungen optimieren. »Die Simulationen deuten darauf hin, dass wir möglicherweise die bisher intensivste Quelle kohärenten Lichts geschaffen haben«, erklärt Timmis. »Ich hoffe, dass wir bald die Gelegenheit haben, zum Gemini-Laser zurückzukehren, um das zu bestätigen.«

Wenn er recht behält, könnten Fachleute schon bald die sogenannte Schwinger-Grenze erreichen: jenen Energiebereich, bei dem ein Laser Teilchen aus dem Nichts entstehen lässt. Dieses Phänomen ist eine wichtige Vorhersage der Quantenphysik, wurde jedoch bislang noch nie im Labor beobachtet . Ein Nachweis wäre ein wichtiger Schritt, um die Wechselwirkung von Materie mit Licht besser zu verstehen.