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Quantenfluid aus Licht verletzt Newtons drittes Gesetz
Ein schmaler Lichtstrahl kann sich in einem Quantenfluid aus Licht gegen dessen Strömung bewegen. Möglich wird das durch nichtreziproke Licht-Licht-Wechselwirkungen, bei denen die gegenseitige Reaktion der beteiligten optischen Felder asymmetrisch ausfällt. Das Experiment zeigt zudem, dass die Bewegung gegen den Strom bei mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und mittlerer Dichte des Lichtfluids am stärksten ist.
Tianjin (China). Stromaufwärtsbewegungen sind ein typisches Beispiel für Dynamik fern vom Gleichgewicht. Sie treten häufig bei aktiver Materie auf und stehen eng mit nichtreziproken Wechselwirkungen in Verbindung. Dabei reagieren zwei beteiligte Systeme nicht spiegelbildlich aufeinander, wie es bei einer reziproken Wechselwirkung der Fall wäre.
Auch Licht kann in geeigneten nichtlinearen optischen Systemen eine fluidähnliche Dynamik zeigen. Ein zusätzlicher schmaler Lichtstrahl lässt sich darin wie ein kleiner „Schwimmer“ behandeln. Entscheidend ist dann, wie dieser Strahl mit dem umgebenden Lichtfluid wechselwirkt und welchen Rückstoß er dabei erhält.
Forscher der Nankai University (NKU) um Prof. Yi Hu haben nun experimentell gezeigt, dass ein solcher Lichtschwimmer tatsächlich gegen die Strömung laufen kann. Als Schwimmer dient ein schmaler optischer Strahl in einem Quantenfluid aus Licht. Eine spezielle optische Plattform erzeugt dabei nichtreziproke Licht-Licht-Wechselwirkungen zwischen dem Strahl und dem umgebenden Fluid.
Diese Wechselwirkung verändert die Reaktion des Schwimmers grundlegend. Statt des für Gleichgewichtssysteme erwarteten Rückstoßes erhält der schmale Lichtstrahl einen entgegengesetzt gerichteten Rückstoß. Dadurch bewegt er sich stromaufwärts relativ zur Strömung des optischen Fluids. Das Experiment bestätigt damit, dass nichtreziproke Wechselwirkungen eine gerichtete Bewegung gegen den Fluss erzeugen können.
Der Effekt hängt zugleich von den Bedingungen im Lichtfluid ab. Die Forscher fanden die größte Fähigkeit zur Stromaufwärtsbewegung bei mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und mittlerer Dichte. Das Maximum liegt damit nicht einfach bei möglichst schneller Strömung oder möglichst hoher Dichte, sondern in einem mittleren Bereich beider Größen.
Für die Einordnung ist die Nichtreziprozität entscheidend. Die beiden optischen Komponenten beeinflussen sich gegenseitig, ihre Reaktionen sind jedoch nicht symmetrisch. Der beobachtete Rückstoß ist deshalb gegenüber einem Gleichgewichtssystem umgekehrt. Der Befund betrifft diese effektive Wechselwirkung im optischen System und nicht eine allgemeine Aufhebung der Mechanik.
Die Autoren ordnen die Stromaufwärtsbewegung als weitere Form aktiven Verhaltens ein, das durch nichtreziproke Wechselwirkungen entsteht. Ihr Experiment überträgt ein für aktive Materie typisches Verhalten damit auf ein Quantenfluid aus Licht. Zugleich zeigt die Arbeit, dass sich die Bewegungsrichtung eines optischen Bestandteils durch die Art seiner gegenseitigen Wechselwirkung mit dem Fluid verändern lässt.
Für mögliche Anwendungen sehen die Forscher darin vor allem einen Ansatz für künftige Quantensysteme mit aktiven Funktionen. Die Publikation nennt neuartige Quantengeräte mit aktiven Funktionen als langfristige Perspektive. Ein konkretes Gerät demonstriert die Studie damit noch nicht.