Licht: Geheimnis des Strahlendrucks geknackt

Nach fast 150 Jahren aufgeklärt: Forscher haben erstmals genau gemessen, wie Licht seinen Impuls auf Materie überträgt. Dieser Strahlungsdruck treibt Kometenschweife von der Sonne weg, könnte aber künftig auch Weltraumsonden mit Lichtsegeln ermöglichen. Bisher war jedoch unklar, wie dabei die Energie vom elektromagnetischen Feld in Druck und elastische Wellen im Feststoff umgewandelt wird. Das haben Wissenschaftler nun experimentell beobachtet.

Die Idee, dass Licht einen Impuls besitzt, ist nicht neu: Schon der Astronom Johannes Kepler vermutete im Jahr 1619, dass der Druck des Sonnenlichts die Kometenschweife nach außen drückt. Erst 1873 aber lieferte der Physiker James Clerk Maxwell die Erklärung dazu: Er postulierte, dass dieser Strahlungsdruck durch den Impuls verursacht wird, den die elektromagnetischen Felder besitzen.

Umwandlung in mechanischen Impuls

Inzwischen weiß man, dass auftreffende Strahlung sogar mechanische Effekte auf Feststoffe hat: Die Umwandlung des elektromagnetischen Impulses erzeugt unter anderem elastische Wellen im Material. „Bis jetzt aber konnten wir nicht genau bestimmen, wie der Strahlungsimpuls in Kraft oder Bewegung umgewandelt wird“, erklärt Koautor Kenneth Chau von der University of Bristol. „Denn der Impuls des Lichts ist extrem klein und unsere Ausrüstung war nicht sensibel genug.“

Ein weiteres Problem: Wenn Strahlung auf eine feste Oberfläche trifft, wird ein Teil der Energie absorbiert und erzeugt im Material thermoelastische Wellen. Diese überdecken die impulstragenden elastischen Wellen und erschweren ihre Messung. Um ihren Störeinfluss zu minimieren, haben Chau und seine Kollegen nun einen Versuchsaufbau gewählt, der besonders wenig Strahlungsabsorption zulässt.

Aufbau des Experiments, dargestellt ist nur der unter dem Spiegel (grün) liegende Sensor. © Pozar et al./ Nature Communications, CC-by-sa 4.0

Elastische Wellen im Spiegel

Für ihr Experiment nutzten die Forscher einen Laser, der Lichtpulse der Wellenlänge 1.064 Nanometer produziert. Diese Laserpulse richteten sie senkrecht auf einen Siliziumspiegel, der mit wechselnden Schichten aus Siliziumdioxid (SiO₂) und Zirkondioxid (ZrO₂) beschichtet war. Dadurch reflektierte die Spiegeloberfläche 99,93 Prozent der Strahlung bei dieser Wellenlänge – und minimierte damit die sonst dominanten thermoelastischen Wellen.

Mithilfe spezieller akustischer Sensoren auf beiden Seiten des Spiegels konnten die Forscher die Ausbreitung und Intensität der durch die Lichtpulse erzeugten elastischen Wellen erstmals präzise messen. Wie Wasserwellen in einem Teich breiteten diese sich konzentrisch von der Auftreffstelle der Laserpulse aus. Dabei entstehen ähnlich wie bei einem Erdbeben verschiedene, sich unterschiedlich schnell ausbreitende Wellenformen, wie die Forscher beobachteten.

„Wir können den Impuls des Photons nicht direkt messen, daher haben wir seinen Effekt auf den Spiegel anhand der elastischen Wellen detektiert“, erklärt Chau. „Die Merkmale dieser Wellen konnten wir dann zurückverfolgen und aus ihnen die Impulsenergie im Lichtpuls berechnen.“

Ausbreitung der vom Laserpuls erzeugten elastischen Wellen im Material. © Pozar et al./ Nature Communications, CC-by-sa 4.0

Schubkraft quantifiziert

Das Ergebnis: Insgesamt übertrug der Laserpuls eine mechanische Energie von 1,96 Femtojoule an den Spiegelblock, wie die Forscher ermittelten. 86 Prozent dieser Energie manifestierte sich in Primärwellen – schnelllaufenden Wellen, die das Material in Längsrichtung stauchen und dehnen. Elf Prozent der Impulsenergie wurde von seitwärts schwingenden Schwerwellen aufgenommen und drei Prozent von oberflächlichen Rayleighwellen.

Für den Strahlungsdruck entscheidend aber: Die vom Licht übertragenen mechanische Energie erzeugte im Material eine in Auftreff-Richtung wirkende Impulskraft von 1,07 Nanonewtonsekunden. Diese Kraft ist es letztlich, die beispielsweise dann ein Lichtsegel vorwärts bewegt. Wie die Wissenschaftler erklären, entsprechen ihre Messwerte und Wellenformen nahezu perfekt den theoretischen Berechnungen.

Nützlich für Lichtsegel und optische Pinzetten

„Damit liefert unsere Arbeit eine Methode, mit der die Impulskopplung zwischen elektromagnetischen Feldern und Materie quantitativ gemessen werden kann“, konstatieren Erstautor Tomaz Pozar von der Universität Ljubljana und seine Kollegen. „Sie könnte künftig genutzt werden, um Materialien zu charakterisieren und um beispielsweise die Technologie der optischen Pinzette weiterzuentwickeln.

Nützlich sind die neuen Erkenntnisse aber auch, um Materialien für Lichtsegel künftiger Raumsonden auszuwählen und zu testen. Solche Segel sollen in naher Zukunft unter anderem die ersten interstellaren Sonden der Breakthrough Starshot-Initiative antreiben und zu unserem Nachbarstern Alpha Centauri bringen. (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-05706-3)

(University of British Columbia, 22.08.2018 – NPO)