Es werde Licht: Wie man Photonen aus dem Nichts erzeugt

Von Schwarzen Löchern kennt man den Effekt der Hawking-Strahlung: Wenn im Vakuum auf zufällige Weise ein Photonenpaar geboren wird und eines der beiden in das Schwarze Loch fällt, bleibt das andere übrig: Licht aus dem Nichts. Die Energieschuld beim Universum muss das Schwarze Loch begleichen, weshalb es über viele Milliarden Jahre verdampft. Aber es gibt noch einen zweiten Trick. Beim Schwarzen Loch spielt ja die Gravitation die Rolle des Zauberers, der das eine Photon verschwinden lässt. Aber nach dem Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie lässt sich der Zauberer austauschen. Eine beschleunigte Bewegung hat stets haargenau dieselben Auswirkungen wie die Gravitation. Wie macht man nun aus einer beschleunigten Bewegung einen Zauberer? Das haben sich britische Forscher überlegt. Sie beschreiben ihr Verfahren nun im Fachmagazin Communication Physics.

Bei dem vorgeschlagenen Experiment wird ein briefmarkengroßer synthetischer Diamant, der die auf Stickstoff basierenden Lichtdetektoren enthält, in einer unterkühlten Metallbox aufgehängt, die ein Vakuum erzeugt. Die Membran, die wie ein gefesseltes Trampolin wirkt, wird mit enormer Geschwindigkeit beschleunigt. Die Forschungsarbeit erklärt, dass die daraus resultierende Photonenproduktion aus dem Hohlraumvakuum kollektiv verstärkt und messbar ist, wobei die Vakuum-Photonenproduktion einen Phasenübergang von einer normalen Phase zu einer „verstärkten superradiantenähnlichen, invertierten Laserphase“ durchläuft, wenn die Detektoranzahl einen kritischen Wert überschreitet.

„Die Bewegung des Diamanten erzeugt Photonen“, sagt Hui Wang, eine Postdoktorandin, die die theoretische Arbeit verfasst hat. „Im Grunde braucht man nur etwas heftig genug zu schütteln, um verschränkte Photonen zu erzeugen“. In der Studie wird der Einsatz mehrerer Photonendetektoren untersucht, um die Beschleunigung der Membran zu verstärken und die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen. Durch die Oszillation des Diamanten kann das Experiment auch in einem kontrollierbaren Raum mit hohen Beschleunigungsraten durchgeführt werden. „Unsere Arbeit ist die erste, die erforscht, was passieren würde, gäbe es viele beschleunigende Photodetektoren anstelle eines einzigen „, sagt Miles Blencowe, Mitverfasser. „Wir entdeckten einen Verstärkungseffekt für die Lichterzeugung aus dem Vakuum, bei dem der kollektive Effekt der vielen beschleunigenden Detektoren größer ist als bei ihrer individuellen Betrachtung.“

In dem von den Forschenden vorgeschlagenen Experiment, das hier abgebildet ist, wird eine briefmarkengroße Membran aus synthetischem Diamant, die Lichtdetektoren auf Stickstoffbasis enthält, in einem unterkühlten Metallkasten aufgehängt, der ein Vakuum erzeugt. Die Membran, die wie ein gefesseltes Trampolin wirkt, wird mit enormer Geschwindigkeit beschleunigt und erzeugt dabei Photonen. (Animation von LaDarius Dennison)

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BrandonQMorris
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  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.