Manipulierte Photonen Wie man das Licht bremst

Wer Licht verlangsamen will, kann es durch Wasser oder Glas schicken - dort breitet es sich weniger schnell aus. Jetzt aber haben Physiker offenbar geschafft, was bisher als unmöglich galt: Sie haben Photonen in der Luft abgebremst.
Lasershow in Doha (Januar 2015): Lichtgeschwindigkeit nicht mehr konstant?

Lasershow in Doha (Januar 2015): Lichtgeschwindigkeit nicht mehr konstant?

Foto: Axel Heimken/ dpa

Albert Einstein machte das Licht einst zum entscheidenden Baustein in seiner Relativitätstheorie. Die Lichtgeschwindigkeit ist immer konstant - das war seine zentrale Annahme. Und bis heute zweifelt kaum ein Physiker daran.

Nun aber berichten Forscher der University of Glasgow, sie hätten Photonen in ihrer Bewegung durch Luft abgebremst. Mit einer speziellen Maske habe man den Lichtteilchen eine besondere räumliche Struktur verpasst und so ihre Geschwindigkeit verändert, schreiben Daniel Giovannini und seine Kollegen im Fachblatt "Science" .

In Vakuum und in Luft breiten sich Lichtstrahlen mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde aus. In optisch dichteren Medien wie Wasser oder Glas ist die Lichtgeschwindigkeit geringer. In Wasser liegt sie beispielsweise bei rund 225.000 km/s. Sobald die Strahlen aber aus dem Wasser austreten, bewegen sie sich wieder im knapp 300.000 km/s durch Luft.

Giovanninis Team arbeitete bei seinen Experimenten nicht mit Materialien wie Glas oder Wasser - die Forscher bremsten die Photonen vielmehr direkt in der Luft ab. Sie verglichen einen Lichtstrahl, der aus mehreren Photonen besteht, mit einer Gruppe von Radrennfahrern, die im Pulk unterwegs sind und sich in der Führung abwechseln. Dadurch bewegen sie sich zeitweise unterschiedlich schnell, obwohl die Geschwindigkeit der Gruppe insgesamt konstant ist.

Linsen verändern Photon

Das eigentliche Experiment glich einem Zeitfahren: Zwei Photonen wurden zugleich gestartet und mussten dieselbe Distanz von einem Meter zurücklegen. Ein Photon erreichte das Ziel genau in der erwarteten Zeit. Das zweite Photon jedoch, das durch eine aus mehreren Linsen aufgebaute Maske eine andere Struktur bekommen hatte, kam etwas später an.

Der Unterschied war nach Angaben der Forscher gut messbar, wenn auch klein. Der Vorsprung des ersten Photons lag bei einem hundertstel Millimeter. Dies entspricht einer Abbremsung von 0,001 Prozent.

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"Der Effekt ist fundamental natürlich sehr interessant", sagt Thomas Halfmann, Physikprofessor an der TU Darmstadt, der an der Studie nicht beteiligt war. "Das ist eine sehr verblüffende Tatsache." Bislang sei man davon ausgegangen, dass Licht sich im freien Raum stets mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit c ausbreite, egal wie der Strahl beschaffen sei. Die theoretische Begründung des nun in "Science" beschriebenen Phänomens klinge aber plausibel.

"Wir haben das Abbremsen mit einigen ausgeklügelten, aber allgemein bekannten optischen Prinzipien erreicht", sagt die Forscherin Jacquiline Romero. Die Experimente hätten eindeutig gezeigt, dass man die Lichtausbreitung in der Luft unter den allgemein akzeptierten Wert von rund 299.700 km/s drücken könne. Auch wenn der Effekt nur an einem einzelnen Photon demonstriert worden sei, gelte er auch für Strahlen. Allerdings sei das Manipulieren von Photonen nur über kurze Distanzen möglich, schränkte die Forscherin ein.

Um Einsteins Relativitätstheorie muss man sich wohl erst einmal keine Sorgen machen, nicht zuletzt wegen der nur minimalen Abbremsung des Lichts. Der Effekt gelang zudem nur auf einer Strecke von einem Meter und in einem speziellen Laboraufbau.

Konkrete Anwendungen der Lichtbremse aus Glasgow sind derzeit nicht absehbar. Das ist bei anderen, ähnlich verblüffenden Experimenten mit Photonen anders, wie sie beispielsweise die Arbeitsgruppe von Thomas Halfmann an der TU Darmstadt durchgeführt hat. In Silikatkristallen konnten die Forscher 2013 Photonen für eine Minute anhalten, ohne dass Informationen verloren gingen. Die Technologie könnte eines Tages in Quantencomputern als Datenspeicher zum Einsatz kommen.

Als Pionier beim Bändigen von Lichtstrahlen gilt Lene Vestergaard Hau von der Harvard University in Cambridge. Ein von ihr geleitetes Team konnte 1999 Licht auf eine Geschwindigkeit von nur 17 Meter pro Sekunde abbremsen. Mit Laserlicht hatten die Forscher ein Natriumgas fast bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt, sodass sich dessen optische Eigenschaften dramatisch veränderten.