FAU-Forscher beschleunigen erstmals Licht mit einem diametralen Antrieb

Künstlerische Darstellung des optischen diametralen Antriebs auf Basis von Messdaten. Der linke Pulszug mit positiver effektiver Masse und der rechte Pulszug mit negativer Masse beschleunigen durch eine Umkehr des 3. Newtonsches Gesetzes in die gleiche Richtung.<br><br>Foto: FAU<br>

Damit ließe sich etwa die Wellenlänge von Lichtpulsen kontrolliert verschieben, was für viele Bereiche der Laserphysik oder Spektroskopie interessant wäre. Diese Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der renommierten Zeitschrift „Nature Physics“ publiziert*.

Vor 15 Jahren dachte ein Forschungsteam der NASA darüber nach, wie man den idealen Raumantrieb bauen könnte. Dabei hatte der Wissenschaftler Marc G. Millis die etwas eigensinnige Idee, Objekte mit einer negativen Masse als Triebwerke einzusetzen. Wenn sich zwei Körper mit positiver Masse gegenseitig anziehen, so werden sie nach den Regeln der Newtonschen Mechanik stets aufeinander zu beschleunigt. Die Kombination von Objekten mit positiver und negativer Masse ermöglicht hingegen ein unerwartetes Phänomen:

Wirkt eine Kraft zwischen ihnen, so beschleunigen beide Körper fortwährend in dieselbe Raumrichtung und werden so immer schneller. Diese Konstellation bezeichnete Millis als „Diametric Drive“ (zu Deutsch: diametraler Antrieb). Von einer Umsetzung dieser potentiell bahnbrechenden Idee ist bis dato nichts bekannt, und auch in ferner Zukunft werden Raumfahrer wohl eher auf diesen revolutionären Antrieb verzichten müssen.

„Die Existenz von mechanischen Objekten mit einer negativen Masse verstößt im freien Raum gegen derart viele Grundgesetze der Physik, dass sie mit großer Sicherheit ausgeschlossen werden kann“, sagt Prof. Dr. Ulf Peschel, Professor für Experimentalphysik an der FAU.

Aber eben nur im freien Raum: Die Einschränkungen gelten nicht für künstlich geschaffene Systeme, innerhalb derer ganz eigene Gesetzmäßigkeiten gelten. Diese Tatsache machten sich nun Forscher um Prof. Peschel zu Nutze, um die optische Entsprechung eines Diametric Drive zu realisieren. Zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und von der University of Central Florida, USA, schufen sie ein optisches Fasernetzwerk, in dem sich speziell präparierte Lichtpakete vollkommen analog zu mechanischen Teilchen mit positiver oder negativer effektiver Masse verhalten:

Bringt man ein Lichtbündel mit negativer effektiver Masse in die Nähe eines anderen Strahls mit positiver Masse, so entsteht durch nichtlineare Wechselwirkung ein optischer Diametric Drive. „Die beiden Lichtbündel beschleunigen in dieselbe Richtung und werden immer schneller, so wie man es eben bei einem diametralen Antrieb erwarten würde“, erklären die Optik-Forscher das Experiment. Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass dieser Effekt auf eine Vielzahl von anderen physikalischen Systemen übertragen werden kann.

Womöglich ließen sich also auf die gleiche Weise auch Elektronen in Halbleitern oder ultrakalte Atome in optischen Gittern beschleunigen, da die Wirkungsweise auf dem universellen Konzept der effektiven Masse beruht. Auch in der Optik könnten verschiedene Anwendungsfelder vom Diametric Drive profitieren, zum Beispiel durch die Möglichkeit, die Lichtwellenlänge mit Hilfe von speziellen Glasfasern zu verändern.

Auch wenn der Raumantrieb mit negativer Masse letztlich wohl nur ein Luftschloss bleiben wird, so hat diese Science-Fiction-artige Idee von Marc G. Millis nach über 15 Jahren auf Umwegen doch noch den Sprung in die Realität geschafft. Sein ursprüngliches Konzept lässt sich übrigens nachlesen: M. G. Millis, „Challenge to Create the Space Drive“, Journal of Propulsion and Power (1997), http://www.grc.nasa.gov/WWW/bpp/1997-J_AIAA_SpaceDr.pdf

* M. Wimmer et al, „Optical diametric drive acceleration via action-reaction symmetry breaking“, in: Nature Physics. DOI: 10.1038/NPHYS2777

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