11-07-2003
Lichtgeschwindigkeit nach Wunsch

Von ungewöhnlichen Kunststücken mit Licht berichten Forscher der Universität von Rochester. Mit einem Kristall können sie Lichtwellen wahlweise auf ICE-Geschwindigkeit abbremsen oder auf Überlichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Die Minimalgeschwindigkeit, mit der das Licht ein transparentes Material durchquert, ist in den letzten Jahren immer wieder unterboten worden. So konnten Lene Hau und ihre Mitarbeiter Lichtgeschwindigkeiten von einigen Metern pro Sekunde in einem ultrakalten Bose-Einstein-Kondensat messen. Zwei Gruppen der Harvard University (Hau, Walsworth) gelang es schließlich, Licht in einer Atomwolke zum Stillstand zu bringen. Mit Kristallen ließ sich das Licht ebenfalls abbremsen und für einige Mikrosekunden festhalten. Doch auch eine Lichtausbreitung mit Überlichtgeschwindigkeit haben mehrere Gruppen zustande gebracht.

Jetzt ist es Matthew S. Bigelow und seinen Kollegen gelungen, das Licht in einem Kristall je nach Wunsch extrem zu verzögern oder über die Vakuumlichtgeschwindigkeit hinaus zu beschleunigen. Bei dem Kristall handelt es sich um den farbenprächtigen Edelstein Alexandrit, der rot, orange oder grün funkelt, je nach der Kristallachse, längs der man ihn betrachtet. Seine ungewöhnlichen optischen Eigenschaften gehen auf Chrom-Ionen zurück, die in ein BeAl2O4-Gitter eingebaut sind. Die Ionen spielen auch bei der Veränderung der Lichtgeschwindigkeit eine entscheidende Rolle.

Ultralangsam breitet sich das Licht im Kristall nur dann aus, wenn dessen Brechungsindex besondere Eigenschaften hat: Der (Realteil des komplexen) Brechungsindex muss sehr stark anwachsen, wenn sich die Lichtfrequenz geringfügig erhöht. Da dies normalerweise nicht der Fall ist, haben Bigelow und seine Kollegen nachgeholfen: Sie haben zwei grüne Laserstrahlen auf ihren 4 cm langen Kristall gerichtet, deren Wellenlängen bei 488 nm lagen und sich geringfügig unterschieden. Diese leicht verstimmte Anregung führte dazu, dass sich die Zahl der Chromionen im Energiegrundzustand periodisch änderte. Dadurch wiederum verringerte sich das Absorptionsvermögen des Kristalls in einem winzigen Frequenzintervall. Eine starke Zunahme des Brechungsindex war die Folge. Wie die Forscher erwartet hatten, verlangsamte sich das Licht beträchtlich. Es kam nur noch 91 Meter in der Sekunde voran!

Dann legten die Forscher einen anderen Gang ein: Sie verringerten die Wellenlängen der beiden Laserstrahlen auf rund 476 nm. Dieses Licht absorbierten die Chromionen im Kristall besonders stark. Das hatte zur Folge, dass der Brechungsindex sehr rasch abnahm, wenn man die Lichtfrequenz geringfügig erhöhte. Aufgrund dieser genannten anomalen Dispersion kam das Licht im Kristall jetzt sogar schneller voran als im Vakuum. Als Maß für die Ausbreitungsgeschwindigkeit diente dabei die so genannte Gruppengeschwindigkeit. Sie gibt an, wie schnell sich das Intensitätsmaximum eines Lichtpulses bewegt. Dabei kann sie größer sein als die Vakuumlichtgeschwindigkeit, ja sie kann sogar einen unendlich großen oder negativen Wert annehmen.

Bei ihren Experimenten mit dem Alexandrit haben die Forscher eine negative Gruppengeschwindigkeit von -800 m/s gemessen. Demnach hätte das Maximum eines durch den Kristall laufenden Lichtpulses den Kristall schon wieder verlassen, noch bevor es in ihn eingedrungen wäre. Dieser scheinbare Widerspruch löst sich auf, wenn man berücksichtigt, dass der Lichtpuls beim Durchqueren des Kristalls sehr stark deformiert wird (s. Movie).

Tatsächlich verschwindet das ursprüngliche Maximum, und es bildet sich ein neues Maximum, das näher an der Front des Lichtpulses liegt. Die Pulsfront kommt hingegen nicht schneller voran als das Licht im Vakuum. Das Kausalitätsprinzip, nach dem die Ursache der Wirkung stets vorausgeht, bleibt also auch in diesem Fall gültig.

Im Gegensatz zu früheren Experimenten konnten Bigelow und seine Kollegen das Licht mit relativ geringem Aufwand beschleunigen oder verzögern. Zudem funktioniert ihr Verfahren bei Zimmertemperatur - ein großer Vorteil im Hinblick auf mögliche Anwendungen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

Weitere Literatur:
© www.pro-physik.de