Dem Experimentalphysiker Prof. Thomas Zentgraf und seinen beiden Kollegen von der Universit?t Birmingham, Dr. Guixin Li und Prof. Shuang Zhang, ist es erstmalig gelungen, den nichtlinearen Doppler-Effekt von Licht bei Drehbewegungen im Experiment nachzuweisen – nahezu 50 Jahre nach seiner theoretischen Vorhersage durch den niederl?ndischen Nobelpreistr?ger Nicolaas Bloembergen.
Den akustischen Doppler-Effekt erlebt man t?glich in der Realit?t: Das Martinshorn eines Krankenwagens klingt schriller bzw. heller, wenn sich einem das Rettungsfahrzeug n?hert. Entfernt es sich wieder, klingt das Martinshorn tiefer und dunkler. Das liegt daran, dass sich die Wellenl?nge der Schallwellen ver?ndert, sie wird bei der Bewegung der Schallquelle gestaucht oder gestreckt und es ver?ndert sich damit ihre Tonh?he. Dieser Effekt gilt nicht nur für Schallwellen, sondern für alle Arten von Wellen, also auch für Lichtwellen. Entfernt sich ein Stern von der Erde, wird die Lichtwelle quasi auseinandergezogen und verl?ngert sich, dieses langwelligere Licht nimmt das Auge als rotverschoben wahr. Bei der Ann?herung des Sterns wird die Lichtwelle gestaucht, was eine Verschiebung der Wellenl?nge ins blaue Spektrum bewirkt. Bereits 1842 hatte der ?sterreichische Physiker Christian Andreas Doppler diesen optischen Effekt in seiner Abhandlung ??ber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels“ vorhergesagt und der k?niglich-b?hmischen Gesellschaft der Wissenschaften in Prag vorgelegt. Erst drei Jahre sp?ter überprüfte der holl?ndische Physiker Christoph H.D. Buys-Ballot den akustischen Doppler-Effekt in einem aufsehenerregenden Experiment. Er nutzte das zu dieser Zeit schnellste Fortbewegungsmittel: Auf einem fahrenden Eisenbahnwaggon stand ein Trompeter, an der Bahnstrecke lauschten Musiker den gespielten T?nen und konnten die Verschiebung der Tonh?he ?quivalent zu den Voraussagen Dopplers zur Farbe des Lichts erkennen.
Der Doppler-Effekt hat eine ganze Reihe technischer Errungenschaften erst m?glich gemacht und wird heutzutage in Bereichen wie z. B. der Geschwindigkeitsmessung bei Radarfallen, dem GPS oder der Messung der Blutflussgeschwindigkeit im menschlichen K?rper mittels Ultraschall eingesetzt. Au?erdem hat der Doppler-Effekt eine Schlüsselfunktion bei einigen wichtigen Quantenph?nomen wie der Linienverbreiterung von Spektrallinien und dem Einfangen und Kühlen von Atomen mit Laserlicht.
Neben dem bekannten Doppler-Effekt für geradlinige Bewegungen existiert ein Rotations-Doppler-Effekt für Drehbewegungen von Objekten. Dieser Effekt führt zu einer Verschiebung der Wellenl?nge in Abh?ngigkeit der Drehgeschwindigkeit und wird bei der Messung von Rotationsfrequenzen von Luftturbulenzen, Molekülen und astronomischen Objekten eingesetzt.
Bereits im Jahr 1968, wenige Jahre nach der Erfindung des Lasers, wurde vom sp?teren Nobelpreistr?ger Nicolaas Bloembergen eine weitere Verschiebung der Wellenl?nge bei rotierenden Objekten bei den sehr hohen Intensit?ten von Laserlicht vorhergesagt. Fast 50 Jahre sp?ter konnte dieser Effekt nun erstmals im Labor nachgewiesen werden. ?Aufgrund der geringen Verschiebung der Wellenl?nge bei diesem nichtlinearen Effekt ist es extrem schwierig, die geringe Wellenl?ngen?nderung direkt im Experiment zu beobachten“ erkl?rt Prof. Thomas Zentgraf. Der Grund hierfür ist die geringe Rotationsgeschwindigkeit von Objekten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit. Dies führt dazu, dass die Wellenl?ngenverschiebung von Licht beim Durchgang durch ein rotierendes Objekt gerade einmal im Bereich von wenigen Billionstel (1 Billionstel = 0,000.000.000.001) verschiebt. Selbst im Labor kann eine so kleine Wellenl?ngenverschiebung nicht direkt gemessen werden. ?Wir haben hierzu eine spezielle ?berlagerung zwischen zwei Lichtwellen, eine sogenannte Interferenz, ausgenutzt“ erl?utert Prof. Zentgraf. Die zeitliche ?nderung dieser ?berlagerung wurde dann detektiert und daraus die Wellenl?ngenverschiebung bestimmt.
Die ?berprüfung von fundamentalen Effekten der Physik, wie dem nichtlinearen Rotations-Doppler-Effekt, stellt einen wichtigen Schritt bei der ?berprüfung g?ngiger Theorien für unser Weltbild dar. Mit den Experimenten an der Universit?t Paderborn und der Universit?t Birmingham konnte nun eine weitere Vorhersage best?tigt werden. In Zukunft k?nnte der Effekt bei der Untersuchung von Turbulenzen in Laserplasmen und der Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit von Molekülen Einzug finden.
Die Originalpublikation ist im Fachjournal Nature Physics erschienen und kann unter folgendem Link angesehen werden: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3699
Prof. Dr. Thomas Zentgraf leitet am Department Physik der Universit?t Paderborn die Arbeitsgruppe ?Ultraschnelle Nanophotonik“ und ist Mitglied der Zentralen Wissenschaftlichen Einrichtung ?Center of Optoelectronics and Photonics Paderborn (CeOPP)“. Seine Arbeitsgruppe besch?ftigt sich mit der Entwicklung von künstlichen optischen Materialien sowie neuen Konzepten zur Beeinflussung der Lichtausbreitung. Seit 2014 ist er am neueingerichteten Sonderforschungsbereich ?Ma?geschneiderte Nichtlineare Photonik“ (SFB/TRR142) beteiligt, wo er sich mit den nichtlinear-optischen Eigenschaften von nanostrukturierten Materialien besch?ftigt.
Text: Heike Probst
