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Inspiriert durch Ideen aus der Thermodynamik haben Forschende der Universität Rostock und der University of Southern California eine neue Methode entwickelt, um hochenergetische Laserstrahlen effizient zu formen und zu kombinieren. Ihre Erkenntnisse wurden am 15. Januar 2025 online im renommierten Fachjournal Nature Physics” veröffentlicht.
Seit Urmenschen das Feuer bändigten, um mit seiner Hilfe gefährliche Raubtiere zu vertreiben und ansonsten finstere Behausungen zu erhellen, sind Licht und Wärme unsere stetigen Begleiter. Die Fähigkeit, Feuer als Quelle für beides zu kontrollieren, führte der Menschheit von ihren bescheidenen Anfängen bis zu ihren ersten Schritten auf anderen Himmelskörpern. Licht stellte dabei ein sehr nützliches Nebenprodukt der Wärme dar und konnte diese auch übertragen. „Kinder merken schnell, dass eine Kerzenflamme nichts zum Anfassen ist. Ebenso müssen Experimentalphysiker*innen lernen, ihre Finger aus Laserstrahlen herauszuhalten“, scherzt Professor Alexander Szameit von der Universität Rostock. Die Verbindungen zwischen Thermodynamik und Optik sind tiefgreifender, als es auf den ersten Blick scheint. Professor Demetrios Christodoulides und sein Team an der University of Southern California in Los Angeles haben kürzlich gezeigt, dass die gleichen Gesetzmäßigkeiten, die das Wechselspiel zwischen Temperatur, Druck und Volumen in Gasen beschreiben, auch für die Ausbreitung hochenergetischer Laserstrahlen in komplexen Medien gelten.
Einer der bekanntesten Vorgänge in der Thermodynamik ist die sogenannte Joule-Thomson-Expansion. Dr. Matthias Heinrich, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Szameits Gruppe, erklärt: „Stellen Sie sich eine Sprühdose vor. Sobald das vorher bei Raumtemperatur unter hohem Druck eingeschlossene Gas die Öffnung verlässt, kann es sich frei ausbreiten. Es dehnt sich rasch aus, bis der Umgebungsdruck erreicht ist, und kühlt dabei stark ab.“ Auf mikroskopischer Ebene führen die Wechselwirkungen der Gasteilchen untereinander zu einer nicht umkehrbaren Energieumwandlung. Sobald es sich ausgedehnt und abgekühlt hat, hält die Entropie das Gas davon ab, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
In enger Zusammenarbeit mit Kollegen in Los Angeles und Orlando konnten die Rostocker Forschenden diesen Prozess für intensive Laserstrahlung umsetzen. Obwohl Lichtstrahlen sich normalerweise störungsfrei kreuzen, kann eine hohe Intensität zu momentanen Änderungen des Mediums führen. Mehr Licht ist in diesem Fall also nicht nur heller, sondern verhält sich qualitativ anders. „Diese Nichtlinearität kann man, auf sehr abstrakte Weise, als Gegenstück zur Wechselwirkung von Gasteilchen verstehen. Die Auswirkungen sind allerdings überaus greifbar“, beschreibt Erstautor Marco Kirsch den Ansatzpunkt seiner Forschung. Was die Wissenschaftler*innen als ‚Temperatur‘ des Strahls interpretieren, hat allerdings nichts damit zu tun, wie ‚warm‘ er sich anfühlen würde, sondern beschreibt stattdessen seine Form. Kirsch ergänzt: „Indem wir einer ungeordneten Lichtverteilung erlauben, sich in ein größeres System wie beispielsweise eine Mehrkern-Glasfaser ‚auszudehnen,‘ bildet sich durch die damit einhergehende ‚Abkühlung‘ ganz ohne äußeres Zutun ein sauberes Strahlprofil aus.“ Auf diese Weise könnten sogar nicht perfekt abgestimmte Strahlen mehrerer Laser zu einem gemeinsamen Strahl kombiniert werden, ohne signifikante Energieverluste – ein Durchbruch, der eine der größten Herausforderungen beim Bau von immer leistungsstärkeren Lasern lösen kann.
Diese erfolgreiche internationale Zusammenarbeit hat das noch junge Feld der optischen Thermodynamik deutlich vorangebracht. Auch wenn es noch dauern kann, bis diese Erkenntnisse in industrielle Anwendungen umgesetzt werden, weist die jüngste Entdeckung der Physiker*innen den Weg zu innovativen Konzepten, vom photonischen Gegenstück zu Wärmekraftmaschinen bis hin zu Wärmepumpen für Licht.
Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung gefördert.
Prof. Alexander Szameit
Universität Rostock
Institut für Physik
AG Experimentelle Festkörperoptik
Tel.: +49 381 498-6790
E-Mail: alexander.szameit@uni-rostock.de
M. S. Kirsch et al., “Observation of Joule–Thomson photon-gas expansion,” Nature Physics, https://doi.org/10.1038/s41567-024-02736-1 (2025).
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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