Steuerung der Geschwindigkeit von Lichtkugeln

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Forscher der Universität Osaka können die Fluggeschwindigkeit von Lichtkugeln präzise und willkürlich kontrollieren und eröffnen damit neue Möglichkeiten für optische und physikalische Anwendungen.
Auch wenn es sich anhört wie etwas direkt aus der Science-Fiction, ist die Kontrolle der Lichtgeschwindigkeit in der Tat eine langjährige Herausforderung für Physiker.

In einer kürzlich in der Zeitschrift Communications Physics veröffentlichten Studie haben Forscher der Universität Osaka Lichtgeschosse mit hochgradig kontrollierbaren Geschwindigkeiten erzeugt.
Nach Albert Einsteins Relativitätsprinzip ist die Lichtgeschwindigkeit konstant und kann nicht überschritten werden; es ist jedoch möglich, die Gruppengeschwindigkeit von optischen Pulsen zu kontrollieren.

Derzeit bietet die raum-zeitliche Kopplung von optischen Pulsen die Möglichkeit, die Gruppengeschwindigkeit von dreidimensionalen, beugungsfreien optischen Wellenpaketen, den sogenannten “Light Bullets”, im freien Raum zu kontrollieren.
In ihrer früheren Studie (Scientific Reports) fand diese Gruppe heraus, dass durch Verformung der Pulsfront optischer Pulse bei unveränderter Phasenfront die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der erzeugten fliegenden Bessel-Gaußschen (beugungs- und dispersionsfreien) Lichtgeschosse kontrolliert werden kann.
“Das Problem ist jedoch, dass nur eine bestimmte Bewegungsform, zum Beispiel superluminal oder subluminal für die Geschwindigkeit und beschleunigend oder abbremsend für die Beschleunigung, in einem einzigen Ausbreitungsweg erreicht werden kann”, erklärt der korrespondierende Autor Zhaoyang Li.
In dieser neu verbesserten Methode kann durch die Kombination eines verformbaren Spiegels und eines räumlichen Lichtmodulators die Pulsfront von optischen Pulsen beliebig verformt werden, was zu Lichtgeschossen mit beliebig variablen Geschwindigkeiten (und Beschleunigungen) während eines einzigen Ausbreitungsweges führt; z.B. subluminal gefolgt von superluminal und/oder beschleunigend gefolgt von abbremsend.
“Dieses beugungsfreie Lichtgeschoss mit nahezu programmierbaren Fluggeschwindigkeiten kann neue Möglichkeiten in einer Vielzahl von Anwendungen bringen, wie z. B. in der Freiraumkommunikation, der Bio-Bildgebung, der optischen Erkennung und Verarbeitung, der Teilchenbeschleunigung und -manipulation, der Strahlungserzeugung und vielen anderen”, sagt Zhaoyang Li.
Referenz: “Optical wave-packet with nearly-programmable group velocities” von Zhaoyang Li und Junji Kawanaka, 13. November 2020, Communications Physics.DOI: 10.1038/s42005-020-00481-4

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