Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher der FAU untersuchen das Wechselspiel von Raumkrümmung und Licht

22.12.2015

Astronomische Weiten im Labor einfangen

Um den Einfluss von Gravitation auf die Ausbreitung von Licht zu untersuchen, sind Wissenschaftler typischerweise auf astronomische Längenskalen und die Beteiligung enormer Massen angewiesen. Dass es auch anders geht, zeigen Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena:


Die Abbildung zeigt, wie sich ein Laserstrahl im Experiment entlang der zweidimensionalen Oberfläche einer sanduhrförmigen Glasfigur ausbreitet und sich dabei einmal um die Figurentaille windet. Diese Figur ist ein Beispiel für eine negativ gekrümmte Oberfläche (vergleiche z.B. mit einem Sattel), im Gegensatz zu einer positiv gekrümmten Oberfläche, wie die einer Kugel. (Bild: Vincent Schultheiß)

In der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics beantworten sie Fragen von astronomischer Tragweite in der Enge ihres Labors und lenken dabei den Fokus auf eine unterschätzte Materialeigenschaft – die Krümmung von Oberflächen.*

Gemäß Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie lässt sich Gravitation als Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit beschreiben. Himmelskörper und auch Licht bewegen sich in diesem gekrümmten Raum entlang von Geodäten, die die lokal kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten darstellen, aber von außen betrachtet oft alles andere als gerade erscheinen.

Um die Lichtausbreitung in solch gekrümmten Räumen im Labor zu untersuchen, bedienen sich die Wissenschaftler um Prof. Dr. Ulf Peschel, Universität Jena, eines Tricks: Statt alle vier Dimensionen der Raumzeit zu verändern, reduzieren sie das Problem auf zwei Dimensionen und untersuchen die Lichtausbreitung entlang gekrümmter Oberflächen. Krümmung ist jedoch nicht gleich Krümmung.

„Während man zum Beispiel einen Zylinder oder Kegel leicht zu einem flachen Stück Papier auffalten kann, ist es nicht möglich, die Oberfläche einer Kugel flach auf dem Tisch auszubreiten, ohne dabei die Fläche zu zerreißen oder zumindest stark zu verzehren“, sagt Vincent Schultheiß, Doktorand an der FAU und Erstautor der Studie. „Das kennt man im Alltag von Weltkarten, die die Erdoberfläche immer verfälscht darstellen müssen. Die Krümmung der Kugeloberfläche ist eine intrinsische Eigenschaft, die sich nicht verändern lässt und Auswirkungen auf Geometrie und Physik innerhalb dieser zweidimensionalen Fläche hat.“

Im Experiment wurden die Auswirkungen genau dieser intrinsischen Krümmung des Raumes auf die Lichtausbreitung untersucht. Dazu wurde das Licht in einem schmalen Bereich nahe der Oberfläche eines maßgefertigten Körpers gefangen und so gezwungen, dem Verlauf der Oberfläche zu folgen. Dabei verhielt es sich während der Ausbreitung so, wie es der Ablenkung durch gewaltige Massen entspräche.

Durch eine Variation der Krümmung der Oberfläche kann man die Lichtausbreitung sogar steuern. Umgekehrt ist es aber auch möglich, durch eine Analyse der Lichtausbreitung etwas über die Krümmung der Oberfläche selbst zu lernen. Übertragen auf astronomische Beobachtungen heißt das, dass dem uns von weit entfernten Sternen erreichenden Licht wertvolle Informationen über den durchquerten Raum aufgeprägt sind.

In ihrer Arbeit untersuchten die Forscher hierzu die nach den beiden englischen Physikern Robert Hanbury Brown und Richard Twiss benannte Intensitätsinterferometrie, die zur Bestimmung der Größe sonnennaher Sterne verwendet wird. Bei diesem Messverfahren werden zwei Teleskope mit variablem Abstand auf den zu untersuchenden Stern ausgerichtet und die jeweils von beiden Standpunkten aus sichtbaren Helligkeitsschwankungen miteinander verglichen. Die Helligkeitsunterschiede sind eine Folge der Interferenz unabhängig voneinander auf der Sternoberfläche emittierten Lichts – in der Beobachtungsebene sichtbar als ein körniges Helligkeitsmuster – und erlauben es, Aussagen über die Größe des beobachteten Objektes zu machen.

Da die Lichtwege in einem gekrümmten Raum im Vergleich zum flachen Fall viel stärker dazu neigen zu konvergieren bzw. zu divergieren, ändert sich auch die Korngröße des Helligkeitsmusters in Abhängigkeit von der Raumkrümmung. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Kenntnis der Raumkrümmung entscheidend für die Interpretation der Ergebnisse ist, aber auch, wie sich derartige interferometrische Experimente dazu eignen, die allgemeine Krümmung des Universums genauer zu vermessen.

Ob die Forschungsergebnisse jedoch tatsächlich zu einem besseren Verständnis unseres Universums beitragen, steht bis jetzt noch in den Sternen. „Ziel unserer Forschung ist es zunächst, Erkenntnisse der Allgemeinen Relativitätstheorie durch die bewusste Modulierung von Oberflächen von Objekten in die Materialwissenschaften zu übertragen“, sagt Peschel. Dabei entstehen Verknüpfungspunkte zwischen diesen beiden auf den ersten Blick völlig verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen.

„Vom Fabrikationsstandpunkt her sind flache Designs oft sehr viel leichter zu bewerkstelligen. Aber gekrümmte Oberflächen bergen ein bisher ungenutztes Potenzial zum Beispiel zur Steuerung von Lichtwegen in optischen Systemen. Durch lokale Variationen der Oberflächenkrümmung kann man oft das gleiche bewirken, wie durch eine Veränderung des Volumenmaterials selbst. Die Zahl nötiger Arbeitsschritte und verwendeter Materialien bei der Herstellung integrierter optischer Schaltkreise oder mikrooptischer Komponenten kann so eventuell reduziert werden. “

Entstanden ist die Studie am Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) der FAU, in dem Forscher ganz unterschiedlicher Fachbereiche an der Entwicklung neuartiger Materialien arbeiten.

*doi: 10.1038/nphoton.2015.244

Weitere Informationen:
Vincent Schultheiß
Tel.: 09131/8520343
vincent.schultheiss@fau.de

Prof. Dr. Ulf Peschel
Tel.: 03641/947170
ulf.peschel@uni-jena.de

Dr. Susanne Langer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.fau.de/
https://www.fau.de/2015/12/news/wissenschaft/astronomische-weiten-im-labor-einfangen/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Im Fußballfieber: Rittal Cup verspricht Spannung und Spaß

18.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics