Als men een dichte laag elektronen versnelt tot bijna de lichtsnelheid, dan vormen ze een spiegelend oppervlak waarmee men lichtstraling kan converteren. Een internationaal team van natuurkundigen van het Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching, de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München, de Queens University Belfast (QUB) en het Rutherford Appleton Laboratorium in Oxford heeft dit experimenteel bewezen.
Ze versnelden met een laserpuls elektronen vanuit een nanometer dikke folie tot bijna de lichtsnelheid. Daarna reflecteerden zij een tweede lichtpuls aan deze elektronen. De onderzoekers hebben daarmee een door Albert Einstein in het jaar 1905 opgebouwde theorie experimenteel gerealiseerd. Die theorie zegt dat een zeer snel bewegende spiegel invallende elektromagnetische straling verschuift naar kortere golflengtes.
Spiegelende oppervlakken staan meestal stil. Maar wat gebeurt er, als men een spiegel construeert, die beweegt met bijna de lichtsnelheid? Deze gedachten hielden Albert Einstein al bezig in 1905 bij zijn publicatie ‘Zur Elektrodynamik bewegter Körper’. Dit vraagstuk is door de wetenschappers tot op de bodem onderzocht.
Femto- en attoseconden
De natuurkundigen stuurden in het Rutherford Appleton Laboratorium een zeer krachtige laserimpuls van circa vijftig femtoseconden naar een dunne folie van koolstofatomen. (1 fs = 10-15 s). De fotonen (lichtdeeltjes) van deze puls stoten een dichte laag elektronen uit deze atomen en versnellen deze binnen een micrometer tot nagenoeg de lichtsnelheid. Op deze manier hadden de natuurkundigen een zogenaamde relatieve spiegel verkregen.
De spiegel was maar een paar femtoseconden stabiel. Maar in deze extreem korte periode lieten de natuurkundigen een tweede femtoseconden lichtpuls uit de tegengestelde richting tegen de supersnelle elektronenwand komen. Deze puls bestond uit een infrarood licht in de buurt van 800 nm golflengte en duurde ook slechts enkele femtoseconden.
Terwijl gewone spiegels het invallende licht onveranderd reflecteren, verandert de spiegel die met bijna de lichtsnelheid vliegt het invallende licht. De spiegel draagt de impuls over op de fotonen (lichtdeeltjes), analoog aan een bal die door het raken van een tegemoetkomend slaghout een hogere snelheid krijgt. Maar omdat de fotonen al met de lichtsnelheid bewegen, worden ze naar een hogere frequentie verschoven, net als bij het Doppler effect.
Bij het experiment zorgde de enorme snelheid van de spiegel ervoor, dat het invallende infrarood licht werd omgevormd in extreem ultraviolet licht met een golflengte tussen 60 nm en 80 nm. Bovendien werd de tijdsduur van de gereflecteerde lichtflitsen korter tot een grootte van ongeveer honderd attosekonden (1 as = 10-18 s).
Nog snellere lichtflitsen
De wetenschappers hebben met hun experimenten niet alleen de gedachtegang van Albert Einstein experimenteel onderbouwd, maar ook een nieuwe weg gevonden om attoseconde-lichtflitsen te produceren. Met dergelijke lichtflitsen is men weer in staat om elektronen te fotograferen, die zich tijdens dergelijke onvoorstelbare korte tijdsperiode in atomen bewegen. Daardoor zijn nog veel onbekende elementaire processen in de natuur waar te nemen.
Voor de onderzoekers is dit dan ook pas het begin. De lasersystemen zullen in de toekomst in staat zijn om steeds krachtigere pulsen met een hogere frequentie en een kortere duur te genereren. Hierbij worden ook de opgewekte attoseconde-lichtflitsen intensiever, met een kortere golflengte en daardoor steeds beter geschikt om de microkosmos te onderzoeken. De relativistische spiegel biedt dus nog een grote potentie.
