Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichtblitze aus einem fliegenden Spiegel

24.04.2013
Ein internationales Physikerteam modifiziert erstmals Laserpulse mit Hilfe eines mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegenden Spiegels aus Elektronen.

Beschleunigt man eine dichte Schicht von Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, so werden sie zu einer spiegelnden Oberfläche, an der man Lichtstrahlung umwandeln kann.


Ein Laserpuls (rot, von unten kommend), beschleunigt Elektronen (grün), die aus einer dünnen Folie aus Kohlenstoffatomen stammen. Auf die dann mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegenden Elektronen trifft ein weiterer infraroter Lichtpuls. Dieser wird anschließend als Lichtblitz im extremen ultravioletten Bereich des Lichts von den Teilchen reflektiert und dauert nur noch Attosekunden. Grafik: Thorsten Naeser

Das hat erstmals ein internationales Team aus Physikern vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, der Queens University Belfast (QUB) und dem Rutherford Appleton Laboratorium in Oxford (Großbritannien) experimentell bewiesen. Die Physiker beschleunigten mit einem Laserpuls Elektronen aus einer Nanometer dünnen Folie fast bis auf Lichtgeschwindigkeit. Anschließend reflektierten sie an diesen Elektronen einen zweiten Lichtpuls.

Damit haben die Forscher erstmals eine von Albert Einstein im Jahr 1905 aufgestellte Theorie experimentell realisiert, wonach ein sich sehr schnell bewegender Spiegel die auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Die Forscher berichten darüber im Fachmagazin „Nature Communications, 23. April 2013.

Spiegelnde Flächen ruhen meist in sich selbst; man denke an den eigenen Badezimmerspiegel oder eine glatte Oberfläche eines Sees. Was passiert nun, wenn man einen Spiegel konstruiert, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt? Diese Gedankengänge beschäftigen schon Albert Einstein im Jahr 1905 in seiner Veröffentlichung „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. Experimentell auf den Grund gegangen ist dieser Frage nun ein internationales Team, dem Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität angehörten.

An dem Rutherford Appleton Laboratorium in Oxford schickten die Physiker einen rund 50 Femtosekunden kurzen, hochintensiven Laserimpuls auf eine dünne Folie aus Kohlenstoffatomen (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Die Photonen (Lichtteilchen) dieses Pulses schlugen aus den Atomen eine dichte Lage aus Elektronen heraus und beschleunigten sie innerhalb eines Mikrometers auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Damit hatten die Physiker einen so genannten relativistischen Spiegel erschaffen. „Der Spiegel war nur für wenige Femtosekunden stabil“, erklärt Daniel Kiefer, der über das Experiment seine Doktorarbeit schrieb. Während dieser extrem kurzen Lebensdauer des Spiegels, ließen die Physiker einen zweiten Femtosekunden-Lichtpuls von der entgegengesetzten Seite auf die rasende Elektronenwand auftreffen. Dieser Puls bestand aus Nahem Infraroten Licht (800 Nanometer Wellenlänge) und dauerte ebenfalls nur wenige Femtosekunden.

Während gewöhnliche Spiegel nun das einfallende Licht unverändert reflektieren, wandelt ein Spiegel, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegt, das auftreffende Licht um. Dabei überträgt der Spiegel den Impuls auf die Photonen (Lichtteilchen) - analog zu einem Ball der durch das Abprallen von einem entgegenkommenden Schläger zu einer höheren Geschwindigkeit getrieben wird. Da sich die Photonen aber schon mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, werden sie zu höheren Frequenzen verschoben, ähnlich wie beim Dopplereffekt eines vorbeifahrenden Krankenwagens, dessen Sirene man höher (lauter) bzw. tiefer (leiser) hört, je nachdem ob er auf einen zukommt oder wegfährt. Bei dem Experiment bewirkte die enorme Geschwindigkeit des Spiegels, dass sich das einfallende infrarote Licht umwandelte in extremes, ultraviolettes Licht mit Wellenlängen zwischen 60 bis 80 Nanometer. Ebenso verkürzte sich die Zeitdauer der reflektierten Lichtblitze auf die Größenordnung von einigen 100 Attosekunden (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde).

Mit ihren Experimenten haben die Wissenschaftler damit nicht nur einen Gedankengang von Albert Einstein experimentell untermauert, sondern auch einen neuen Weg gefunden, Attosekunden-Lichtblitze zu produzieren. Mit solchen Lichtblitzen ist man wiederum in der Lage, Elektronen zu fotografieren, die sich innerhalb solch unvorstellbar kurzen Zeitspannen in Atomen bewegen und damit die noch weitgehend unbekannten, elementarsten Vorgänge in der Natur zu beobachten.

„Mit unseren Experimenten haben wir vorerst nur bewiesen, dass die Theorie auch in der Praxis funktioniert“, erklärt Jörg Schreiber. Für Schreiber und sein Team an der LMU ist das erst der Anfang: „Unsere Lasersysteme werden künftig in der Lage sein, immer leistungsstärkere Pulse mit höheren Wiederholungsraten und kürzerer Dauer zu generieren“, sagt Schreiber. Damit werden auch die auf diesem Weg erzeugten Attosekunden-Lichtblitze intensiver, kurzwelliger und damit immer besser geeignet sein, den Mikrokosmos zu erforschen. „Der relativistische Spiegel bietet also noch ein enormes Potential“, ist sich Schreiber sicher. Thorsten Naeser
Originalpublikation:
D. Kiefer, M. Yeung, T. Dzelzainis, P.S. Foster, S.G. Rykovanov, C.L. S. Lewis, R. Marjoribanks, H. Ruhl, D. Habs, J. Schreiber, M. Zepf & B. Dromey
Relativistic electron mirrors from nanoscale foils for coherent frequency upshift to the extreme ultraviolet.
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms2775, 23. April 2013.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Daniel Kiefer
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Physik, Am Coulombwall 1
85748 Garching
Tel.: +49 (0) 89 / 289-54 023
E-Mail: daniel.kiefer@mpq.mpg.de

Prof. Dr. Jörg Schreiber
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 (0) 89 / 289-54 025
E-Mail: joerg.schreiber@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Tel.: +49 (0) 89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Laser-Metronom ermöglicht Rekord-Synchronisation
12.01.2017 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

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: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

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

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Feinstaub weckt schlafende Viren in der Lunge

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Energieeffizienter Gebäudebetrieb: Monitoring-Plattform MONDAS identifiziert Einsparpotenzial

16.01.2017 | Messenachrichten

Nervenkrankheit ALS: Mehr als nur ein Motor-Problem im Gehirn?

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie