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Dunkle Lichtwirbel können sich scheinbar schneller als Licht bewegen
In Lichtwellen entstehen winzige dunkle Punkte, an denen die Schwingung vollständig verschwindet. Neue Messungen zeigen, dass solche optischen Wirbel kurz vor ihrer Auslöschung scheinbar schneller wandern können als Licht im Vakuum. Die beobachtete Bewegung widerspricht dennoch nicht der Relativitätstheorie, weil dabei weder Energie noch Information überlichtschnell übertragen wird.
Haifa (Israel). Licht kann komplexe Wellenmuster bilden, in denen sich Schwingungen an bestimmten Stellen gegenseitig auslöschen. An solchen Nullstellen ist die Feldstärke gleich null, sodass dort ein dunkler Punkt innerhalb der Lichtwelle entsteht. Diese sogenannten Phasensingularitäten lassen sich als Wirbel im Muster der Wellenphase beschreiben.
Solche optischen Wirbel können sich paarweise bilden und wieder verschwinden. Ihre Bewegungen wurden schon vor Jahrzehnten theoretisch untersucht, ließen sich bislang aber nur schwer direkt verfolgen. Besonders kurz vor der gegenseitigen Auslöschung zweier Wirbel können ihre rechnerisch bestimmten Geschwindigkeiten extrem ansteigen.
Forscher des Technion – Israel Institute of Technology um Prof. Ido Kaminer haben die Bewegung solcher Phasensingularitäten mit einem speziellen Elektronenmikroskop untersucht. Als Untersuchungsobjekt diente eine dünne Schicht aus hexagonalem Bornitrid, in der sich Licht mit Gitterschwingungen des Materials koppelt. Dabei entstehen sogenannte Phonon-Polaritonen, deren Energie sich wesentlich langsamer ausbreitet als Licht im Vakuum.
Kurze Laserimpulse haben diese gekoppelten Wellen im Bornitrid angeregt. Mit einer Kombination aus ultraschneller Elektronenmikroskopie und Elektroneninterferometrie konnte das Team sowohl die Stärke als auch die Phase des elektromagnetischen Feldes rekonstruieren. Die räumliche Auflösung lag bei etwa 20 Nanometern, die zeitliche bei drei Femtosekunden, also drei Billiardstel Sekunden.
Aus vielen zeitlich gegeneinander verschobenen Aufnahmen entstand eine Folge von Messbildern, auf denen die Nullstellen verfolgt werden konnten. Die Analyse erfasste ihre Positionen, ihre Bewegungsrichtungen und das gemeinsame Verhalten benachbarter Wirbel. Damit wurde nicht nur ein einzelner Vorgang, sondern auch die statistische Dynamik eines ganzen Ensembles zugänglich.
Im untersuchten Wellenfeld treten Phasensingularitäten mit entgegengesetzter topologischer Ladung auf, die sich durch den Drehsinn ihrer Wellenphase unterscheiden. Nähern sich zwei solche Nullstellen einander an, können sie am selben Ort verschwinden. Unmittelbar vor dieser Auslöschung steigt die aus ihrer Positionsänderung bestimmte Geschwindigkeit stark an.
Die Geschwindigkeitsverteilung enthält dabei Werte jenseits der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. In der zugänglichen vollständigen Autorenfassung wird für die untersuchten Nullstellen ein Mittelwert von rund 1,04-facher Lichtgeschwindigkeit angegeben. Einzelne rekonstruierte Bewegungen erreichen noch deutlich höhere Werte.
Dabei handelt es sich nicht um das Tempo eines materiellen Teilchens. Die Nullstelle ist eine Eigenschaft des sich verändernden Wellenmusters und besitzt selbst keine Lichtintensität, die Energie oder Informationen transportieren könnte. Deshalb erlauben die scheinbar überlichtschnellen Bahnen weder eine schnellere Signalübertragung noch einen Verstoß gegen Einsteins Geschwindigkeitsgrenze.
Auch die Statistik vieler Wirbel verrät, wie ungewöhnlich diese Bewegungen sind. Ihre räumlichen Abstände zeigen Ähnlichkeiten mit den Verteilungen von Teilchen in Flüssigkeiten. Die gemessenen Geschwindigkeiten besitzen dagegen einen auffällig großen Anteil sehr hoher Werte, der nicht zu einer gewöhnlichen Teilchenverteilung passt.