11.01.2012 · Aus der optischen Trickkiste: Mit einer speziellen Tarnkappe können jetzt kurze Ereignisse getilgt werden, so als hätten sie nie stattgefunden.
Von Manfred Lindinger
© dapd
Als sei nichts geschehen: Illustration von der Cornell University
Tarnkappen sind längst nicht mehr nur den Helden von Phantasieromanen vorbehalten. Hüllen, die kleinere Objekte zum Verschwinden bringen, sind mittlerweile auch zu einem heißen Forschungsgebiet vieler Wissenschaftler geworden. Und dank künstlicher Werkstoffe mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften ist es heute tatsächlich möglich, Objekte fast vollständig "unsichtbar" werden zu lassen - zumindest für Ultraschall- und Mikrowellen sowie für das nahe Infrarot und einzelne Wellenlängen im sichtbaren Bereich. Was für Gegenstände auch bereits in drei Raumdimensionen recht gut funktioniert, schien lange nicht für die vierte Dimension - die Zeit - gelingen zu wollen. Nun haben Wissenschaftler von der Cornell University in Ithaca (New York) ein Verfahren entwickelt, mit dem man ein kurzes Ereignis perfekt verheimlichen kann. Einem Beobachter erscheint es so, als sei die Begebenheit gar nicht eingetreten.
Vom fließenden Wasser abgeschaut
Die bisherigen Tarnkappen funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip. Sie machen Objekte dadurch unsichtbar, dass sie elektromagnetische Strahlen um sich und das zu verbergende Objekt in ihrer Mitte herumführen - ähnlich strömendem Wasser, das um einen Stock herum fließt und hinter diesem wieder zusammenfindet, als sei das Hindernis gar nicht vorhanden gewesen. Mittlerweile funktioniert das Prinzip so gut, dass mikrometergroße Objekte in drei Dimensionen zum Verschwinden gebracht werden können.
Laser wird zum Zeitloch
Aber lassen sich auch Ereignisse so maskieren, dass man den Eindruck hat, sie hätten gar nicht stattgefunden? Vor etwa einem Jahr hatten Forscher um Martin McCall vom Imperial College in London eine Idee, wie man das bewerkstelligen könnte. Man müsste nur eine "Lücke in der Zeit" erzeugen, etwa indem man in einem Laserstrahl ein "Loch" erzeugt. Ein Ereignis, das während der Lichtlücke eintrete, würde von einem Beobachter einen Augenblick später nicht mehr wahrgenommen, wenn man vorher die Lücke wieder rechtzeitig schließt.
Achtung ein Fußgänger!
McCall und seine Kollegen veranschaulichten ihr Konzept mit einem Fußgänger, der plötzlich eine vielbefahrene Straße überqueren will. Sobald er die Straße betritt, muss ein Teil der Autos - um ihn nicht zu überfahren - abrupt bremsen, während der andere Teil weiterfährt. Es entsteht eine dadurch Lücke im Verkehrsfluss. Sobald der Fußgänger an der anderen Straßenseite angelangt ist, fahren die Autos schnell weiter, um den Anschluss an die vorausfahrenden Fahrzeuge nicht zu verlieren. Ein weiter entfernt stehender Beobachter sieht nur einen fließenden Verkehr und merkt nichts davon, dass zuvor jemand die Straße überquert hat. Die Theoretiker um McCall präsentierten auch einen Weg, wie sich eine Lichtlücke erzeugen lässt. Man könnte einen Teil eines Lichtstrahls in Ausbreitungsrichtung beschleunigen und einen anderen Teil abbremsen. So ergebe sich ein von Licht befreiter Bereich.
Die lichtfreie Zone
Die amerikanischen Wissenschaftler haben die Idee ihrer britischen Kollegen aufgegriffen und verwirklicht. Alexander Gaeta und seine Kollegen nutzen den Umstand, dass sich in einer Glasfaser aufgrund nichtlinearer optischer Effekte verschiedene Wellenlängen unterschiedlich schnell ausbreiten können.
Ein blauer Lichtstrahl kommt dabei schneller voran als ein roter. In ihrem Experiment schickten die Forscher grünes Laserlicht zusammen mit intensiven Laserpulsen durch eine Glasfaser. Letztere bewirkten, dass sich die Wellenlänge des grünen Strahls veränderte. Ein Teil wurde in den blauen Spektralbereich verschoben, ein anderer in den roten Bereich. Die Glasfaser war so beschaffen, dass sich in ihr das langwellige Licht langsamer ausbreitete als das kurzwellige. Auf diese Weise entstand in dem Laserstrahl für kurze Zeit tatsächlich ein lichtfreier Korridor.
Schließt die Lichtlücke
Anschließend wurden die beiden Wellenlängenanteile wieder zusammengefügt, indem man den Laserstrahl durch eine zweite Glasfaser schickte, die die umgekehrte Wirkung hatte. Der blaue Anteil wurde abgebremst, der rote beschleunigt. Dadurch schloss sich die Lücke wieder, und die Glasfaser verließ ein grüner Laserstrahl, der dem ursprünglichen zum Verwechseln ähnlich sah.
Ein optisches Ereignis
Anschließend testeten die Forscher um Gaeta, ob sich mit Hilfe einer Lichtlücke tatsächlich ein kurzes Ereignis verbergen lässt. Sie strahlten zu diesem Zweck gepulstes Laserlicht mit einer kurzen Wellenlänge ein. Dieses "optische Ereignis" kreuzte die Bahn der Laserstrahls exakt dort, wo sich die Lücke befand. Hätten die Lichtpulse den grünen Laserstrahl getroffen, wäre das sofort aufgefallen, da sich die zwei Strahlen gegenseitig gestört hätten. Dank des lichtfreien Korridors trat jedoch keine Störung auf.
War da was?
Ein Beobachter, der den austretenden Laserstrahl untersuchte, konnte nicht erkennen, dass diesen kurz zuvor ein Lichtpuls gekreuzt hatte. So schien es am Ende, als hätten sich der Laserstrahl ungestört durch die Glasfasern ausgebreitet. Das optischen Ereignis war somit getilgt ("Nature", Bd. 481, S. 61).
Zu kurz für längere Versteckspiele
Allerdings lassen sich mit dem Verfahren bislang nur Ereignisse verbergen, die nur vierzig Billionstel Sekunden dauern. Denn so lang ist derzeit der lichtfreie Zeitkorridor. Die Forscher um Gaeta denken, dass sich die Zeitspanne durch technische Verbesserungen bis auf einige Milliardstel Sekunden ausdehnen lässt. Dann könnte man das Verfahren vielleicht eines Tages dazu nutzen, optische Informationen abhörsicher zu übermitteln. Man müsste sie nur in dem Lichtloch deponieren und transportieren, bis sie den sicheren Korridor wieder verlassen.
