Kräfte auf Dipole in zeitabhängigen Lichtfeldern

Die faszinierende mechanische Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist eine der Grundlagen der modernen Quantenoptik. Im Laufe der letzten 40 Jahre wurden verschiedenste Methoden entwickelt, um Atome sowie Nano- und Mikropartikel im Lichtfeld eines oder mehrerer Laser zu fangen und zu manipulieren. Werkzeuge wie optische Gitter (optical lattices), Pinzetten (optical tweezers) oder Hohlräume (optical cavities) wurden mittlerweile so verfeinert, dass auf tiefste Temperaturenabgekühlte Teilchen zur Lösungfundamentaler Problemeder Quantenmechanik herangezogen werden können. In fächerübergreifenden Projekten mit wichtigen Auswirkungen auf Biologie und Medizin werden heutzutage größere Objekte wie z.B. biologischer Zellen in Lichtfeldern gefangen und manipuliert. Der rapide Fortschritt auf diesem Gebiet der sogenannten Lichtkräfte macht es notwendig, auch auf vermeintlich kleine Effekte genauer einzugehen. Dabei stellt sich heraus, dass es zu zusätzlichen Lichtkräften kommt, wenn man die Amplitude, Phase oder andere Eigenschaften des Laserfeldes zeitlich variieren lässt. Diese zusätzlichen Effekte können sich bisweilen sehr anders verhalten, als man es von den bekannten, dominanten Kräften gewohnt ist. So kann es sein, dass Atome, welche üblicherweise im Maximum der lokalen Lichtintensität gefangen werden, in einem zeitlich variierenden Feld genau von diesem Maximum abgestoßen werden. Im Projekt f.dot - forces on dipoles in optical fields with time-dependency werden unter anderem diese ungewöhnlichen zusätzlichen Kräfte durch zeitlich veränderte elektromagnetische Felder näher erforscht. In Zusammenarbeit mit Prof. Steve Barnett von der Universität Glasgow wird dabei studiert, wie diese vermeintlich kleinen Kräfte im Laufe der Zeit für große Auswirkungen sorgen können. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf der Erzeugung gewünschter Lichtkräfte durch die gezielte zeitliche Manipulation der involvierten Lichtfelder liegen. Abschließend sollen die Effekte dieser zusätzlichen Kräfte bei der Wechselwirkung mehrerer Teilchen im selben Lichtfeld untersucht werden. In einer anschließenden Rückkehrphase ans Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck soll das in Glasgow erworbene Wissen über diese ungewöhnlichen Lichteffekte in die österreichische wissenschaftliche Gemeinschaft eingebracht und durch Kollaborationen vertieft werden. Angesichts des raschen Fortschrittes auf dem Feld der kontrollierten Materie-Licht Wechselwirkung werden auch kleine, aber ungewöhnliche Effekte von immer größerer Bedeutung und dieses Projekt soll helfen, die ehrgeizigen Ziele dieser Forschung zu erreichen.

Wie interagieren Licht und Materie? Kann ein Lichtstrahl eine Kraft auf ein Objekt ausüben? Schon Johannes Keppler überlegte, ob der Strahlungsdruck des Sonnenlichts für die Form eines Kometenschweifs mitverantwortlich ist. Heute werden Laserstrahlen in Laboren eingesetzt um einzelne Atome zu fangen, zu kühlen und weiter zu studieren. Der ständige technologische und experimentelle Fortschritt auf diesem Gebiet verlangt aber auch nach erhöhter Sorgfalt von theoretischer Seite. Denn die Wechselwirkung zwischen Atomen und Licht ist voller Überraschungen und subtiler Details. Eine dieser Feinheiten ist die sogenannte Röntgen-Wechselwirkung, eine kleine Korrektur in der theoretischen Beschreibung der Atom-Licht Wechselwirkung. Üblicherweise wird angenommen, dass Atome nur mit dem elektrischen Anteil einer elektromagnetischen Welle (Licht) interagieren. Die Röntgen-Wechselwirkung zeigt aber, dass es auch eine schwache Kopplung an den magnetischen Anteil im Lichtfeld gibt. Das Schrödinger-Projekt f.dot forces on dipoles in optical fields with time dependence widmete sich dieser Röntgen-Wechselwirkung und den daraus resultierenden Kräften. Während der zweijährigen Auslandsphase an der Universität Glasgow und der einjährigen Rückkehrphase an der Leopold-Franzens Universität Innsbruck wurde versucht, die Natur dieser Röntgenkräfte theoretisch besser zu verstehen. Was passiert wenn ich die Intensität des Lichtfeldes verändere? Welche Kräfte treten auf, wenn ich zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz verwende? Und sind diese Effekte groß genug, um sie mit heutigen Experimenten zu messen? Wie so oft kam es während dieser Forschung zu unerwarteten Ergebnissen. So zeigte sich, dass durch die Röntgen-Wechselwirkung auch ein zweiter relativistischer Effekt auftritt: Es ist dies Einsteins berühmte Formel E = mc2 , die Äquivalenz zwischen Masse und Energie. Denn wenn Atome Licht absorbieren, nehmen sie die Energie des Lichts auf und damit werden sie auch winziges bisschen schwerer. Diese Massenänderung taucht versteckt auch in den Gleichungen zu den Lichtkräften auf ein Atom auf und überraschenderweise scheint dieses Detail bislang unentdeckt geblieben zu sein. Während dieser Teilaspekt zur Äquivalenz zwischen Masse und Energie vor allem eine theoretische Entdeckung ist, so haben die Arbeiten zu den Röntgen-Kräften auch praktische Relevanz. Heutzutage beruhen die genauesten Uhren und die besten Messungen fundamentaler Naturkonstanten auf Atomen, welche von Licht gefangen, gesteuert und gekühlt werden. Das verbesserte Verständnis für die mechanische Atom-Licht Wechselwirkung wird uns helfen, diese Messungen und die darauf basierenden Anwendungen weiter zu optimieren.