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Optik: Ausgebremste Lichtteilchen

Auch im Vakuum ist nicht alles Licht gleich schnell: Eine aufgeprägte räumliche Struktur kann Lichtteilchen ausbremsen.
Phlegmatische Photonen

Im Vakuum bewegt sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit. Dieses Naturgesetz, sozusagen das erste Gebot der Relativitätstheorie, scheint unantastbar. Photonen – die Lichtquanten, aus denen alles Licht besteht – können gar nicht anders, als sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Wenn aber Licht in ein Medium wie beispielsweise Wasser oder Glas eintritt, verringert sich dort die Lichtgeschwindigkeit um einen Faktor, der durch den Brechungsindex dieses Mediums gegeben ist. Verlässt das Licht das Medium wieder, nimmt es im Vakuum sofort die Maximalgeschwindigkeit an: 299 792 458 Meter pro Sekunde. Nichts kann schneller sein als dieser Wert – und Photonen im Vakuum sollten auch nicht langsamer sein.

Forschern der University of Glasgow ist es nun jedoch gelungen, Lichtteilchen ein klein wenig auszubremsen, wie sie im Fachblatt "Science" berichten. Dazu nutzten sie die Welleneigenschaften der Photonen. Denn nach der Quantenphysik besitzen Lichtteilchen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Das erlaubt es ihnen, eine räumliche Struktur einzuprägen.

Um den Effekt nachzuweisen, erzeugten die Wissenschaftler zunächst identische Photonenpaare. Hierzu schickten sie ultraviolettes Laserlicht in ein spezielles Material, das aus jedem ultravioletten Photon zwei identische Photonen mit der halben Energie macht.

Diese schickten sie dann auf eine "Rennstrecke" von einem Meter Länge und maßen, welches der beiden zuerst ankam. Ohne räumliche Struktur sollten beide genau mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sein. Schickten sie jedoch eines der beiden durch eine spezielle Optik, die dem Lichtteilchen eine als Besselstrahlen bekannte Struktur gab, kam dieses einen winzigen Sekundenbruchteil später an – nur einige Dutzend Femtosekunden.

Photon wird um winzige Sekundenbruchteile abgebremst

Das entspricht einer Geschwindigkeitseinbuße von knapp einem tausendstel Prozent, wie Erstautor Daniel Giovannini erklärt: "Die erreichte Verzögerung ist sehr klein, nur einige Mikrometer über eine Distanz von einem Meter." Angesichts der enorm hohen Geschwindigkeit von Licht ist dieser Effekt minimal.

Miles Padgett, Leiter der Glasgower Arbeitsgruppe, sagt hierzu: "Es war eine große Herausforderung, diese Verzögerung bei einzelnen Photonen zu messen." Da die Fehlertoleranzen der Detektorelektronik ähnlich groß sind wie die gemessenen Verzögerungen, mussten die Forscher sich einige Tricks einfallen lassen, um diese Probleme zu umgehen. Doch ihre Ergebnisse entsprechen den theoretischen Erwartungen.

Dieser spezielle Effekt steht damit nicht in Widerspruch zur Relativitätstheorie. Denn nach ihr darf zwar nichts schneller sein als die Lichtgeschwindigkeit. Licht mit Hilfe räumlicher Eigenschaften zu verlangsamen, ist jedoch völlig im Rahmen der Naturgesetze. Wie der an den Forschungen beteiligte Theoretiker Stephen Barnett berechnet hat, tritt der Effekt aber nur auf kurzen Distanzen und bei großen Optiken spürbar auf.

"Der Effekt spielt bei großen Entfernungen, wie etwa in der Astronomie, wahrscheinlich keine Rolle", sagt Padgett. Technologische Anwendungen sind bei dieser Grundlagenforschung noch nicht in Sicht. Doch nach der Theorie sollte er auch bei anderen Arten von Wellen auftreten können, etwa bei Schallwellen.

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