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Forscher entdecken neuen Fundamentalzustand elektromagnetischer Wellen

Ein Physikerteam der Universität von Nizza sagt in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 083901) einen bisher unerkannten, fundamentalen Kohärenzzustand elektromagnetischer Wellen voraus. Demnach ist die Überlagerung elektromagnetischer Wellen unter bestimmten Bedingungen nur mit den Mitteln der Relativitätstheorie beschreibbar. Diese Entdeckung ist sowohl für die optische Grundlagenforschung als auch für Anwendungen wie etwa die Erzeugung von Plasmawellen für Fusionsexperimente von Interesse.

In ihrer Arbeit analysieren die Forscher Antonio Picozzi und Marc Haelterman eine sogenannte parametrische Überlagerung (?parametric wave mixing?) elektromagnetischer Wellen. In derartigen Experimenten werden inkohärente Lichtwellen mittels kohärenten ?Pumpwellen? eines Laserstrahls in nichtlinearen optischen Medien verstärkt. Die durch diesen Vorgang verstärkten Lichtwellen weisen nun selbst die physikalische Eigenschaft der Kohärenz auf ? sie können durch einfache Addition ihrer Amplituden überlagert werden.

Der gängigen Lehrmeinung zu Folge sind diese durch parametrische Verstärkung erzeugten Wellen entweder räumlich oder zeitlich kohärent. Ein räumlich kohärentes Wellenfeld kann mit einem zum gleichen Zeitpunkt im Raum verschobenen Abbild seiner selbst überlagert werden, während ein zeitlich kohärentes Feld mit einem zeitlich verschobenen Abbild seiner selbst am gleichen Ort überlagert werden kann.

Die theoretische Analyse von Picozzi und Haelterman zeigt nun, dass diese beiden Zustände nur zwei Spezialfälle eines viel allgemeineren, raum-zeitlich verwobenen Kohärenzzustandes sind: Eine einfache räumliche oder zeitliche Verschiebung eines Wellenfeldes reicht zu seiner Überlagerung nicht aus, vielmehr ist eine Verschiebung in der vierdimensionalen Raumzeit der Relativitätstheorie dazu notwendig.

Die Forscher hoffen, diesen allgemeinen Kohärenzzustand elektromagnetischer Wellen schon bald experimentell beobachten zu können. Ihnen zu Folge könnte dies sogar mit dem klassischen Young-Interferenzexperiment gelingen ? der Überlagerung zweier Wellen hinter einem Doppelspalt. Während die Intensitätsverteilung des Wellenfeldes hinter dem Doppelspalt jedoch bei klassischer Kohärenz symmetrisch ist, sollte die Überlagerung von Wellen des neu entdeckten Kohärenzzustandes ein asymmetrisches Profil aufweisen.

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Parametrische Verstärkungsprozesse werden sowohl in der Grundlagen- als auch in der angewandten Forschung vielfach eingesetzt. Die überraschenden Eigenschaften des raum-zeitlich verwobenen Kohärenzzustandes sind daher nicht nur für Theoretiker von Interesse. So ist eine genaue Kenntnis der Kohärenz von Plasmawellen etwa von entscheidender Bedeutung für die Zündung von Fusionsreaktoren.

Stefan Maier
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