Die attraktive Kraft des Lichts

Licht wirkt anziehend. Dass diese Tatsache nicht nur für Mücken an lauen Sommerabenden, sondern auch für Atome gilt, ist Inhalt einer kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit. Innsbrucker Physiker zeigen auf, dass die anziehende Dipolkraft auch bei thermischem Licht eine Rolle spielt – ein Effekt, der auch bei der Entstehung von Planeten von Bedeutung sein könnte.
Künstlerische Darstellung zur Wechselwirkung zwischen Atomen (graue Kugeln) und einer heißen Kugel. Die Energieniveaus eines Atom nahe der thermischen Strahlungsquelle werden stärker verschoben, wodurch sich eine attraktive Kraft ergbit. (Foto: M. Sonnleitner, et al. (c)2013 American Physical Society)
Bild: Künstlerische Darstellung zur Wechselwirkung zwischen Atomen (graue Kugeln) und einer heißen Kugel. Die Energieniveaus eines Atom nahe der thermischen Strahlungsquelle werden stärker verschoben, wodurch sich eine attraktive Kraft ergbit. (Foto: M. Sonnleitner, et al. (c)2013 American Physical Society)

Es ist bekannt, dass man mit Licht Kräfte auf Atome ausüben und diese beispielsweise einfangen kann. Im Labor werden dazu üblicherweise Laserstrahlen verwendet, da diese sehr klar strukturiert und gut fokussierbar sind. „Grundsätzlich wirken diese Kräfte aber auch bei der Verwendung von thermischen Lichtquellen wie zum Beispiel einer Glühbirne“, erklärt Mag. Matthias Sonnleitner vom Institut für Theoretische Physik der Uni Innsbruck. In der Forschungsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Monika Ritsch-Marte von der Sektion für Biomedizinische Physik der Medizinischen Universität Innsbruck und Univ.-Prof. Dr. Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik und finanziert durch den ERC Advanced Grant untersuchte er die Kräfte thermischer Lichtquellen auf Atome. „Wir zeigen, dass Atome dort hingezogen werden, wo ein Maximum thermischer Strahlung herrscht. Zu unserer großen Überraschung wurden diese Kräfte bisher noch nie detailliert behandelt, obwohl der verantwortliche Effekt grundsätzlich bekannt ist und auch bei Versuchen immer als großer Störfaktor miteinbezogen wurde“, so der Dissertant. Neben der anziehenden Dipolkraft thermischer Lichtquellen existiert eine weitere Kraft – der sogenannte Strahlungsdruck –, der die Atome von der Lichtquelle wegbläst.

Umfangreiche Berechnungen

Um die Wechselwirkung der Kräfte thermischen Lichts mit Atomen detailliert abzubilden, untersuchten die Wissenschaftler die Wirkung einer Kugel mit gegebener Temperatur auf ein Wasserstoffatom. „Für unsere Berechnungen wurde die Kugel als idealer Schwarzkörper angenommen, ein als Grundlage für theoretische Betrachtungen idealisierter Körper, der eine konstante Wärmestrahlung abgibt“, beschreibt der Physiker. Nach umfangreichen Berechnungen kam die Forschungsgruppe zu dem Ergebnis, dass Wasserstoff durch die Dipolkraft zur Strahlungsquelle hingezogen wird. „Der Strahlungsdruck, der die Atome wieder abstoßen würde, wird erst ab einer Temperatur von 5000 Kelvin relevant und ist im Temperaturbereich darunter vernachlässigbar“, erklärt Matthias Sonnleiter ein wesentliches Forschungsergebnis. „Unsere Berechnungen haben auch gezeigt, dass die attraktive – also anziehende – Dipolkraft bei anderen Atomen sehr viel stärker wäre, als bei Wasserstoff – wohl aber auch etwas komplizierter zu berechnen, da diese nicht so einfach aufgebaut sind wie Wasserstoffatome.“

Astrophysikalische Fragen

Der Nachweis einer üblicherweise anziehenden Kraft zwischen Atomen oder Molekülen und Quellen thermischer Strahlung könnte vor allem für noch ungeklärte Fragen der Astrophysik von Bedeutung sein: „Im Weltall finden wir zwischen Atomen und Molekülen kleine Staubteilchen, die Wärme – wenn auch in sehr geringen Mengen – abstrahlen, und eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Sternen und Planten spielen“, beschreibt Sonnleitner. „Im Austausch mit den Kollegen vom Institut für Astrophysik bestätigten uns diese, dass es bei der Ansammlung der Atome und Moleküle an den Staubteilchen – der Beginn eines Sterns oder Planeten – noch einige ungeklärte Fragen gibt, für deren Beantwortung die Dipolkraft eine Rolle spielen könnte. Aus diesem Grund wollen wir die Zusammenarbeit mit dem Institut für Astrophysik in Zukunft vertiefen.“