Die Ausbreitung einer Lichtwelle wird durch die Bewegung des Mediums verändert, in dem sie sich ausbreitet. Das Phänomen ist seit dem 19.ten Jahrhundert bekannt, aber schwer zu beobachten aufgrund des Größenunterschieds zwischen der Lichtgeschwindigkeit und der des sich bewegenden Mediums. Deshalb konnte es bis jetzt nur unter sehr spezifischen Bedingungen nachgewiesen werden, bei denen die Lichtgeschwindigkeit künstlich verlangsamt wird.
Illustration des experimentell beobachteten Bildrotationsphänomens für eine Alfvén-Welle. Die transversale Struktur der Welle (blaue und rote Lappen), die von der Antenne erzeugt wird, kann in beide Richtungen gedreht werden, indem die Rotation der Plasmasäule (Punktewolke) gesteuert wird.
© Renaud Gueroult et al.
Forscher des Laboratoire plasma et conversion d'énergie (Laplace, CNRS/Toulouse INP/Université de Toulouse) haben in Zusammenarbeit mit der University of California in Los Angeles (UCLA), dem Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie (IJCLab, CNRS/Université de Paris-Saclay) und der Princeton University erstmals experimentell die Mitführung einer Welle durch ein natürlich rotierendes Medium beobachtet, indem sie eine Bildrotation in einem Plasma erzeugten.
Das Phänomen hängt mit der Bildung von Variationen im Magnetfeld in Plasmen zusammen, die die Form langsamer Wellen annehmen. Diese Wellen, deren Existenz vom Astrophysiker Hannes Alfvén in der Mitte des 20.ten Jahrhunderts vorhergesagt wurde, wurden später im Labor und im Weltraum beobachtet.
Ein Plasma bildet somit ein geeignetes Medium zur Beobachtung des Wellenmitführungseffekts, vorausgesetzt, es kann in Bewegung versetzt werden. Dies ist den Forschern gelungen, die das Large Plasma Device (LAPD) der University of California in Los Angeles nutzten, um ein Plasma in Rotation zu versetzen und die entsprechende Rotation von Alfvén-Wellen darin zu beobachten. Das LAPD erzeugt eine Plasmasäule von 20 Metern Länge und 75 Zentimetern Durchmesser. Der für diese Studie eingerichtete Versuchsaufbau konzentrierte sich auf einen fünf Meter langen Abschnitt der Anlage. An den Enden befindet sich auf einer Seite eine Antenne, die magnetische Störungen erzeugt und Alfvén-Wellen anregt, auf der anderen Seite ein Satz von Elektroden, die das Plasma auf kontrollierte Weise in Bewegung versetzt. Die Parameter des Plasmas und der Welle werden an mehreren Punkten des Säulenabschnitts gemessen.
Das beobachtete Phänomen ist eine Rotation der transversalen Struktur der Welle (ihres Amplitudenprofils in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) unter dem Einfluss der Rotation des Plasmas, das sie durchquert. Das Äquivalent, wenn man Wellen im sichtbaren Bereich verwenden würde, zur Rotation eines Bildes (siehe Illustration).
Diese Studien könnten den Weg für neue Instrumente ebnen, um Materie aus der Ferne zu untersuchen, sei es in der Astrophysik oder bei der Erforschung der Kernfusion. Auf fundamentaler Ebene ermöglichen sie auch ein besseres Verständnis der Kopplung des Drehimpulses zwischen einer Welle und einem rotierenden Medium. Weitere Experimente sind am LAPD geplant, um andere Effekte der Plasmabewegung auf die Ausbreitung von Alfvén-Wellen zu untersuchen.