Neuer relativistischer Spiegel

Albert Einstein beschrieb 1905 folgendes Gedankenexperiment: Licht trifft auf einen schnell bewegten Spiegel und wird dort als Lichtblitz mit kürzerer Wellenlänge reflektiert. Ein internationales Forscherteam stellte nun so einen relativistischen Spiegel mithilfe einer dichten Schicht aus Elektronen her. Tatsächlich ließ sich daran das von Einstein beschriebene  Verhalten beobachten, berichten die Forscher im Journal „Nature Communications“.

Die Grafik zeigt die Herstellung des relativistischen Spiegels. Eine Kohlenstofffolie wird mit einem Laserpuls beschossen, sodass sich Elektronen mit hoher Geschwindigkeit aus ihr lösen.
Schematische Darstellung des Experiments

Die Physiker um Daniel Kiefer vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik beschossen in ihrem Experiment eine dünne Folie aus Kohlenstoffatomen für fünfzig Femtosekunden mit einem Laserpuls. Dieser löste Elektronen aus der Folie heraus und beschleunigte sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Gemeinsam bildeten die synchron bewegten Elektronen eine dichte, reflektierende Oberfläche und damit einen rasenden Spiegel.

Direkt im Anschluss bestrahle das Team die Elektronen aus der entgegengesetzten Richtung mit einem weiteren, infraroten Laserpuls. Dieser Lichtblitz hielt nur wenige Femtosekunden an und besaß eine Wellenlänge von 800 Nanometern. Nachdem er am relativistischen Spiegel reflektiert wurde, dauerte der Lichtpuls dagegen nur noch wenige Attosekunden (eine Attosekunde ist eine tausendstel Femtosekunde oder eine trillionstel Sekunde) und wies eine Wellenlänge von 60 Nanometern auf, lag also im extremen Ultraviolett.

Alltägliche Spiegel stehen still und reflektieren das Licht ohne es zu verändern. Ein bewegter Spiegel jedoch modifiziert das Licht, das auf ihn trifft, denn er überträgt einen Impuls. Einen anschaulichen Vergleich liefert ein Tennisball, der auf den bewegten Schläger trifft und dadurch an Geschwindigkeit gewinnt. Nun bewegen sich Lichtteilchen schon mit Lichtgeschwindigkeit und dürfen daher nicht noch schneller werden. Stattdessen wird ihre Frequenz zu höheren Werten verschoben, wobei die Wellenlänge entsprechend kleiner wird.

„Mit unseren Experimenten haben wir vorerst nur bewiesen, dass die Theorie auch in der Praxis funktioniert“, erklärt Jörg Schreiber von der LMU München, der zum Forscherteam gehört. Neben der erneuten Bestätigung des Gedankenexperiments ist es den Wissenschaftlern auch gelungen, Attosekundenblitze auf neue Art herzustellen. Mit diesen ultrakurzen Lichtpulsen lassen sich extrem schnelle und kurze Bewegungsabläufe – zum Beispiel die Bewegung von Elektronen im Atom – beobachten. Der neue relativistische Spiegel bietet im Vergleich zu früheren Varianten eine konstantere und leichter zu kontrollierende Frequenzverschiebung. „Der relativistische Spiegel bietet also noch ein enormes Potenzial“, bestätigt Schreiber.