Wissenschaftler erzeugen intensive Lichtstrahlen mit Einsteins „fliegendem Spiegel

Die Quantenelektrodynamik (QED) besagt, dass Licht bei extrem hohen Intensitäten beim Wechselwirkung mit dem Vakuum in Materie umgewandelt werden kann. Die Theorie lässt sich straightforward testen; das einzige Hindernis besteht darin, dass das Licht extremer Intensität, auf das sich diese Theorie bezieht, eine Million Mal intensiver ist als die leistungsstärksten Laser, die wir bisher entwickelt haben.

Einsteins fliegender Spiegel: Ein Forschungsteam unter der Leitung, Professor für Trägheitsphysik an der Universität Oxford, nutzte den Gemini-Laser an der Central Laser Facility, um kohärente extrem ultraviolette (XUV) und Röntgenphotonen mittels relativistischer harmonischer Erzeugung zu erzeugen.

Bei diesem Verfahren feuerten die Forscher hochfrequente, ultrakurze Laserpulse mit Sub-Pikosekunden-Raten (10^-12) auf ein festes Glaskiel. Dadurch entstand ein Plasma, das sich wie ein oszillierender Spiegel verhält; nachfolgende Laserpulse treffen auf ihn, als würde man auf einen Spiegel treffen, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einen zu bewegt.

Dieses Phänomen wird häufig als Einsteins

Dieses Phänomen wird häufig als Einsteins fliegender Spiegel bezeichnet. Auf diese Weise wird das vom Plasma reflektierte Licht komprimiert, wodurch seine Intensität steigt. In Zusammenarbeit mit Forschern der Queen's University fokussierte das Team dieses Licht mithilfe eines Verfahrens namens kohärente harmonische Fokussierung auf einen winzigen Bereich. Wie intensiv war der Strahl?

Leider waren die Forscher nicht in der Lage, die Intensität direkt zu messen; theoretische Schätzungen deuten jedoch darauf hin, dass das Team die Laserintensität auf 10^23 W pro cm² erhöht haben könnte. „Die Energie in unserem XUV-Strahl war um mehr als drei Größenordnungen heller als bei früheren Messungen", sagte Robbin Timmis, Postdoktorand an der University of Oxford, in einer Pressemitteilung. „Indem wir eine langjährige Lücke zwischen theoretischen Erwartungen und experimentellen Ergebnissen schließen konnten, bestätigten wir die erforderlichen Energien zur Unterstützung eines kohärenten harmonischen Fokus und bieten damit eine erhebliche Steigerung der Intensität über die des ursprünglichen Laserpulses hinaus." Die Experimente zeigen einen realistischen Weg zur Erzeugung eines extremen elektromagnetischen Feldes für Laborstudien.

Die Forscher sind zuversichtlich, dass ihr Ansatz die Schwinger-Grenze überschreiten kann, die größer als 10^16 V pro cm oder 10^29 W pro cm² ist, und so den Weg für optische Studien des Quantenvakuums ebnen.

Moegliche Anwendungen

Darüber hinaus könnten diese Ergebnisse Anwendungen in der ultraschnellen Bildgebung physikalischer und biologischer Systeme sowie in der Photolithographie und der Kernfusion-Forschung unterstützen, fügten die Forscher hinzu.

Das Team analysiert derzeit Daten aus einigen Folgeeperimenten, um die nächsten Schritte zu bestimmen. „In Kürze werden wir Ergebnisse zu einem neuen harmonischen Strahl veröffentlichen, den wir bei diesem Lauf entdeckt haben", so Timmis in der Pressemitteilung, „und zukünftige Studien werden sich auf die aktive Steuerung des kohärenten harmonischen Fokus und die direkte Messung seiner Intensität konzentrieren." Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.