Dem Experimentalphysiker Prof. Thomas Zentgraf und seinen beiden Kollegen von der Universität 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 niederländischen Nobelpreisträger Nicolaas Bloembergen.
Den akustischen Doppler-Effekt erlebt man täglich in der Realität: Das Martinshorn eines Krankenwagens klingt schriller bzw. heller, wenn sich einem das Rettungsfahrzeug nähert. Entfernt es sich wieder, klingt das Martinshorn tiefer und dunkler. Das liegt daran, dass sich die Wellenlänge der Schallwellen verändert, sie wird bei der Bewegung der Schallquelle gestaucht oder gestreckt und es verändert sich damit ihre Tonhöhe. 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 verlängert sich, dieses langwelligere Licht nimmt das Auge als rotverschoben wahr. Bei der Annäherung des Sterns wird die Lichtwelle gestaucht, was eine Verschiebung der Wellenlänge ins blaue Spektrum bewirkt. 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-böhmischen Gesellschaft der Wissenschaften in Prag vorgelegt. Erst drei Jahre später überprüfte der holländische 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 Tönen und konnten die Verschiebung der Tonhöhe äquivalent zu den Voraussagen Dopplers zur Farbe des Lichts erkennen.
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. Außerdem hat der Doppler-Effekt eine Schlüsselfunktion bei einigen wichtigen Quantenphänomen 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 Wellenlänge in Abhängigkeit 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 späteren Nobelpreisträger Nicolaas Bloembergen eine weitere Verschiebung der Wellenlänge bei rotierenden Objekten bei den sehr hohen Intensitäten von Laserlicht vorhergesagt. Fast 50 Jahre später konnte dieser Effekt nun erstmals im Labor nachgewiesen werden. „Aufgrund der geringen Verschiebung der Wellenlänge bei diesem nichtlinearen Effekt ist es extrem schwierig, die geringe Wellenlängenänderung direkt im Experiment zu beobachten“ erklärt Prof. 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 (1 Billionstel = 0,000.000.000.001) verschiebt. Selbst im Labor kann eine so kleine Wellenlängenverschiebung nicht direkt gemessen werden. „Wir haben hierzu eine spezielle Überlagerung zwischen zwei Lichtwellen, eine sogenannte Interferenz, ausgenutzt“ erläutert Prof. Zentgraf. Die zeitliche Änderung dieser Überlagerung wurde dann detektiert und daraus die Wellenlängenverschiebung bestimmt.
Die Überprüfung von fundamentalen Effekten der Physik, wie dem nichtlinearen Rotations-Doppler-Effekt, stellt einen wichtigen Schritt bei der Überprüfung gängiger Theorien für unser Weltbild dar. Mit den Experimenten an der Universität Paderborn und der Universität Birmingham konnte nun eine weitere Vorhersage bestätigt werden. In Zukunft könnte 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 Universität Paderborn die Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ und ist Mitglied der Zentralen Wissenschaftlichen Einrichtung „Center of Optoelectronics and Photonics Paderborn (CeOPP)“. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung von künstlichen optischen Materialien sowie neuen Konzepten zur Beeinflussung der Lichtausbreitung. Seit 2014 ist er am neueingerichteten Sonderforschungsbereich „Maßgeschneiderte Nichtlineare Photonik“ (SFB/TRR142) beteiligt, wo er sich mit den nichtlinear-optischen Eigenschaften von nanostrukturierten Materialien beschäftigt.
Text: Heike Probst
