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 Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten
23.01.2018 | Universität Basel

nachricht Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

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: Forscher decken die grundsätzliche Limitierung im Schlüsselmaterial für Festkörperbeleuchtung auf

Zum ersten Mal hat eine internationale Forschungsgruppe den Kernmechanismus aufgedeckt, der den Indium(In)-Einbau in Indium-Galliumnitrid ((In, Ga)N)-Dünnschichten begrenzt - dem Schlüsselmaterial für blaue Leuchtdioden (LED). Die Erhöhung des In-Gehalts in InGaN-Dünnschichten ist der übliche Ansatz, die Emission von III-Nitrid-basierten LEDs in Richtung des grünen und roten Bereiches des optischen Spektrums zu verschieben, welcher für die modernen RGB-LEDs notwendig ist. Die neuen Erkenntnisse beantworten die langjährige Forschungsfrage: Warum scheitert dieser klassische Ansatz, wenn wir versuchen, effiziente grüne und rote LEDs auf InGaN-Basis zu gewinnen?

Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der grünen LEDs und Laser gelang es den Forschern nicht, einen höheren Indium-Gehalt als 30% in den Dünnschichten zu...

Im Focus: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

23.01.2018 | Veranstaltungen

Gemeinsam innovativ werden

23.01.2018 | Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

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

Enzym mit überraschender Doppelfunktion

24.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neuartiger hoch-produktiver Prozess für robuste Schichten auf flexiblen Materialien

24.01.2018 | Messenachrichten

Neuartiger Sensor zum Messen der elektrischen Feldstärke

24.01.2018 | Energie und Elektrotechnik

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