Mit Licht lässt sich Materie bewegen. Das vermutete schon Johannes Kepler, als er 1619 meinte, Kometenschweife zeigen wegen der Kraft des Lichts der Sonne von ihr weg, und wurde letztlich mit der 2018 nobelpreis-gewürdigten Entwicklung optischer Pinzetten gezeigt. Wiener Physiker berichten nun im Fachjournal "Science", wie sie mit Licht die Wechselwirkung zwischen zwei winzigen, im Vakuum schwebenden Glaskugeln exakt kontrollieren und sie damit quasi paartanzen lassen können.

Eine optische Pinzette wird auch "Dipolfalle" genannt, weil das elektrische Feld des Lasers eine inhomogene Ladungsverteilung im festzuhaltenden Teilchen auslöst. Dieses wird damit zum punktförmigen elektrischen Dipol - und drängt daher dorthin, wo das elektrische Feld intensiver ist, nämlich im Brennpunkt des Laserstrahls. So kann ein Nanopartikel entgegen der Schwerkraft festgehalten werden.

Licht hilft auch dabei, die Bewegungsenergie von relativ kleinen Objekten auf nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) - und damit bis in den Quantengrundzustand - abzukühlen. Das ist schon seit Jahren möglich, seit kurzem schaffen es Forscher auch, Nanoteilchen im Vakuum mittels Laserlicht in Schwebe zu halten und hochgradig zu kontrollieren. Diese "Levitodynamik" genannte Technologie hat in der Forschung enorm an Dynamik gewonnen, bieten solche schwebenden Systeme doch einzigartige Möglichkeiten für Grundlagenforschung und Anwendung.

Bringt man zwei oder mehr von einem Laser in Schwebe gehaltene Teilchen nahe zusammen, können sie sich gegenseitig beeinflussen - ein Phänomen, das unter dem Begriff "optische Bindungskraft" seit mehr als 30 Jahren bekannt ist. Verantwortlich dafür ist die Wechselwirkung der beiden als elektrischer Diopol agierenden Teilchen, die sich dadurch anziehen bzw. abstoßen.

Anderes Verhalten als erwartet

Uroš Delić und Jakob Rieser aus der Gruppe des Experimentalphysikers Markus Aspelmeyer von der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) beobachteten bei der Untersuchung der Kräfte zwischen zwei schwebenden, 200 Nanometer kleinen Glaskügelchen überraschenderweise ein völlig anderes Verhalten als erwartet. So wirkte etwa Teilchen A auf Teilchen B, ohne dass B auch auf A zurückwirkte.

Das wäre eigentlich eine Verletzung des dritten Newtonschen Gesetzes, wonach Kräfte immer wechselseitig wirken: Wenn A eine Kraft auf B auswirkt, so muss B eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft auf A auswirken. Doch in dem System der Wiener zeigte sich ein sogenanntes nicht-reziprokes Verhalten. Das kann aber nur in Situationen auftreten, in denen ein System Energie an seine Umgebung - im konkreten Fall den Laser - verliert. In der Theorie der "optischen Bindungskraft" fehlte bisher allerdings ein solcher Vorgang.

Delić und Rieser zeigten mit Kollegen der Universität Duisburg-Essen, dass hinter dem ungewöhnlichen Verhalten der Teilchen sogenannte "kohärente Streuung" steckt, ein Phänomen, das die Wiener Wissenschafter bereits seit einigen Jahren erforschen. Die beiden Teilchen streuen auch einen Teil des Laserlichts, mit dem sie festgehalten werden. Und das Streulicht des einen Teilchens kann mit jenem des anderen Teilchens interferieren, die Lichtwellen können sich also verstärken, abschwächen oder auslöschen.

Abhängig von der Phase der beiden Lichtfelder können dabei auch nicht-reziproke Kräfte auftreten. In den bisherigen Theorien wurde weder die kohärente Streuung noch die Tatsache, dass Photonen auch verloren gehen können, berücksichtigt. Grund dafür war auch, dass frühere Experimente zur Beobachtung dieser Effekte nicht empfindlich genug waren.

Position der Teilchen genau kontrolliert

Den Wiener Physikern gelang es in ihrem Experiment, nicht nur den Abstand und die Intensität der beiden Laserstrahlen, sondern auch die relative Phase zwischen diesen exakt zu ändern und so die Position der beiden Nanoteilchen mit hoher Genauigkeit zu kontrollieren - sie lassen sie ganz nach ihren Vor- bzw. Einstellungen sozusagen paartanzen. So ist es möglich, die Kräfte zwischen ihnen zu verfolgen.

Die Forscher würden einen "noch nie dagewesenen Grad der Kontrolle über die Wechselwirkung erreichen", schreibt Julen Simon Pedernales von der Universität Ulm in einem die Facharbeit begleitenden Artikel in "Science". Den Wissenschaftern stehe damit ein Werkzeug zur Steuerung schwebender optomechanischer Systeme zur Verfügung, das zur Erforschung makroskopischer Quantenmechanik eingesetzt werden kann.

Die Wiener Physiker selbst hoffen mit ihren Erkenntnissen neue Wege beschreiten zu können, um komplexe Phänomene in Vielteilchensystemen zu untersuchen. Sie erinnern daran, wie vor vielen Jahren die Fähigkeit, Wechselwirkungen zwischen Atomen in optischen Gittern zu kontrollieren, das Feld der Quantensimulatoren begründete. "Die Möglichkeit, dies nun auf der Ebene der Festkörpersysteme anzuwenden, könnte einen ähnlichen Wandel bewirken", so Delić in einer Aussendung.

Service: Arbeit der Physiker: http://dx.doi.org/10.1126/science.abp9941; Begleitender Artikel dazu: http://dx.doi.org/10.1126/science.add1374