Verdrehter Doppler-Effekt
Fünfzig Jahre alte theoretische Vorhersage zu Rotations-Doppler-Effekt von Licht experimentell überprüft.
Dem Experimentalphysiker Thomas Zentgraf und seinen beiden Kollegen von der Universität Birmingham, Guixin Li und Shuang Zhang, ist es erstmalig gelungen, den nichtlinearen Doppler-
Abb.: Die Verschiebung beruht zwei unterschiedlichen Prozessen: Zuerst halbiert sich die Wellenlänge aufgrund der hohen Intensität des Lichts (rot zu blau), dann erfolgt aufgrund der Drehung des Objektes eine weitere Verschiebung. Diese hängt von Rotationsgeschwindigkeit und Drehrichtung ab und kann positiv oder negativ sein. (Bild: U. Paderborn)
Der Doppler-Effekt gilt nicht nur für Schallwellen, sondern für alle Arten von Wellen, also auch für Lichtwellen. Entfernt sich etwa ein Stern von der Erde, wird die Lichtwelle rotverschoben. Bereits 1842 hatte der österreichische Physiker Christian Andreas Doppler diesen optischen Effekt in seiner Abhandlung „Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels“ vorhergesagt und der königlich-
Der Doppler-Effekt hat eine ganze Reihe technischer Errungenschaften erst möglich gemacht und wird heutzutage in Bereichen wie z.B. der Geschwindigkeitsmessung bei Radarfallen, dem GPS oder der Messung der Blutflussgeschwindigkeit im menschlichen Körper mittels Ultraschall eingesetzt. Neben dem bekannten Doppler-
Bereits im Jahr 1968, wenige Jahre nach der Erfindung des Lasers, hat der spätere Nobelpreisträger Nicolaas Bloembergen eine weitere Verschiebung der Wellenlänge bei rotierenden Objekten bei den sehr hohen Intensitäten von Laserlicht vorhergesagt. Fast fünfzig Jahre später ließ sich dieser Effekt nun erstmals im Labor nachweisen. „Aufgrund der geringen Verschiebung der Wellenlänge bei diesem nichtlinearen Effekt ist es extrem schwierig, die geringe Wellenlängenänderung direkt im Experiment zu beobachten“ erklärt Thomas Zentgraf. Der Grund hierfür ist die geringe Rotationsgeschwindigkeit von Objekten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit. Dies führt dazu, dass die Wellenlängenverschiebung von Licht beim Durchgang durch ein rotierendes Objekt gerade einmal im Bereich von wenigen Billionstel verschiebt. Selbst im Labor kann man eine so kleine Wellenlängenverschiebung nicht direkt messen, sondern nur per Interferenz. Die zeitliche Änderung dieser Überlagerung haben die Forscher dann detektiert und daraus die Wellenlängenverschiebung bestimmt. In Zukunft könnte der Effekt bei der Untersuchung von Turbulenzen in Laserplasmen und der Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit von Molekülen Einzug finden.
U. Paderborn / DE
