Wissenschaftler der Swinburne University und der University of Shanghai for Science and Technology haben zum ersten Mal eine Umkehr des optischen “Doppler-Effekts” demonstriert – ein Fortschritt, der eines Tages zur Entwicklung von “Tarnkappen”-Technologie führen könnte.
Physikalisch beschreibt der Doppler-Effekt die Veränderung der Frequenz von Lichtwellen oder akustischen Wellen, wenn es eine relative Bewegung zwischen einem Beobachter und der Quelle der Wellen gibt.
Die meisten Menschen werden schon Erfahrungen mit dem Doppler-Effekt in Bezug zu Tönen gemacht haben – wenn man einen Zug auf einen zukommen hört, erhöht sich die Tonfrequenz, und wenn er sich entfernt, fällt die Frequenz ab.
Die Situation ist vergleichbar mit Licht – wenn ein Objekt und ein Beobachter sich aufeinander zubewegen, erhöht sich die Lichtfrequenz von roten zu blauen Wellenlängen. Wenn sie sich von einander entfernen, verschieben sich die Lichtfrequenzen von blauen nach roten Wellenlängen.
In einer heute im Journal Nature Photonics veröffentlichten Studie haben die Swinburne Wissenschaftler Dr. Baohua Jia, Dr. Xiangping Li und Professor Min Gu zusammen mit ihren Partnern aus Shanghai die Umkehr von diesem Effekt demonstriert, der nicht natürlich auftritt. Als Umkehr wird folgende Situation beschrieben: ein Objekt und ein Lichtwellendetektor bewegen sich aufeinander zu und die Lichtfrequenz verschiebt sich von blauen nach roten Wellenlängen und andersrum.
“Dies ist das erste Mal weltweit, dass der umgekehrte Doppler-Effekt im optischen Bereich demonstriert wurde”, sagte Professor Min Gu, Direktor des Centers for Micro-Photonics an der Swinburne University. Die Wissenschaftler waren in der Lage, dies zu erreichen, indem sie einen künstlichen nanostrukturierten Kristall – bekannt als ‘Photonischer Kristall’ – aus Silizium herstellten.
Indem sie einen Laserstrahl auf das einzigartige ‘Superprisma’ des photonischen Kristalls richteten und die Distanz zwischen ihm und dem Detektor veränderten, waren die Forscher in der Lage, einen umgekehrtes Doppler-Effekt-Phänomen zu erzeugen.
“In unserem Superprisma war die Dispersion des Lichts doppelt so stark wie bei einem Standard Newton Prima. Dieser große Winkel lässt den Brechungsindex des Prismas – eine Eigenschaft, die bestimmt, wie schnell Licht es durchquert – negativ werden”, sagte Professor Gu.
Alle Materialien, die in der Natur vorkommen, haben einen Brechungsindex größer als Eins. Das bedeutet, wann immer sie sich relativ gegenüber einem Beobachter bewegen, werden sie den Standard Doppler-Effekt zeigen. “Indem wir dieses künstliche Material mit einem negativen Brechungsindex herstellten, waren wir in der Lage, dieses natürliche Phänomen umzukehren”, sagte er.
Den Doppler-Effekt umzukehren, ist ein vielversprechendes Zeichen für die zukünftige Entwicklung von Technologien, die von der Science Fiction inspiriert wurden, wie zum Beispiel Tarnkappen. Professor Gu zufolge ist diese Technologie, welche in kleinen Maßstäben schon früher von US-Forschern demonstriert wurde, vielleicht näher daran, Wirklichkeit zu werden, als die meisten Leute denken.
Ein besseres Verständnis von diesem Phänomen könnte auch zu vielen zeitnahen Anwendungen führen. Die Messung des Doppler-Effekts erlaubt es Astronomen, die Geschwindigkeit von Sternen zu bestimmen, welche sich der Erde annähern oder von ihr entfernen, versetzt Radargeräte in die Lage, die Geschwindigkeiten von Objekten zu erfassen und wird in medizinischen Bildgebungsverfahren eingesetzt, um den Blutfluss im menschlichen Körper zu verfolgen.
(THK)
Antworten