Licht ist dafür verantwortlich, dass Objekte einen Schatten werfen, hat aber aufgrund seiner Eigenschaften keinen eigenen. So zumindest die Annahme bis jetzt. Denn ein Forschungsteam beweist in einem Experiment mit Lasern nun das scheinbar Unmögliche - und verändert damit womöglich unser Verständnis von Licht und Schatten.

Kann Licht einen Schatten werfen? Bislang schien das unmöglich. Da Licht keine Masse hat, können die winzigen Photonen-Teilchen normalerweise zur selben Zeit am selben Ort sein. Das bedeutet: Wenn zwei Laserstrahlen interagieren, prallen sie nicht wie Lichtschwerter in "Star Wars" aufeinander, sagt der Physiker Raphael Abrahao vom Brookhaven National Laboratory in New York. Im wirklichen Leben durchdringen sie sich einfach gegenseitig, denn die Photonen können ungehindert passieren. Doch Abrahao und seinem Forschungsteam gelang es nun in einem Experiment, zwei Laserstrahlen so zu kombinieren, dass einer einen Schatten im Strahl des anderen hinterließ.

Der entscheidende Bestandteil war dabei ein Rubinkristall in Würfelform, wie die Forschenden im Fachmagazin "Optica" schreiben. Auf diesen Würfel richteten sie dann einen grünen Laserstrahl, während er von der Seite mit einem blauen Laser beleuchtet wurde. Als das grüne Licht in den Rubin eindrang, änderte er lokal die Materialreaktion auf die blaue Wellenlänge. "Der grüne Laser verhält sich wie ein gewöhnliches Objekt, während der blaue Laser wie eine Beleuchtung wirkt", erklären die Studienautoren. Anstatt das blaue Laserlicht durchzulassen, blockierten die vom grünen Licht beeinflussten Atome des Rubins nun das blaue Licht. Dadurch entstand ein Schatten, der genau wie der grüne Laserstrahl geformt war.

Dieser "Lichtschatten" erschien im Experiment als deutlich sichtbare dunkle Linie auf der Oberfläche des angestrahlten Kristalls - und war mit bloßem Auge erkennbar. "Er erfüllt dabei sechs eindeutige Kriterien, die normale Schatten von anderen, oberflächlich ähnlich aussehenden Phänomenen unterscheiden", erklären Abrahao und seine Kollegen. So war der Schatten beispielsweise beweglich: Hielten die Forscher einen dünnen runden Stab in den Schatten, wölbte sich der Schatten an dieser Stelle entsprechend der Rundung des Stabes.

Neues Verständnis von Licht und Schatten

"Dieser aller Intuition widersprechende optische Effekt legt nahe, dass wir unsere Vorstellung vom Wesen eines Schattens überdenken müssen - unter den richtigen Umständen kann selbst ein Laserstrahl einen Schatten werfen", resümieren die Physiker. Historisch gesehen sei das Verständnis von Schatten entscheidend für das Verständnis dessen, was Licht bewirken kann und wie wir es nutzen können, schreiben sie. Dieses Experiment füge dem Werkzeugkasten der Wissenschaftler zur Lichtmanipulation eine unerwartete Technik hinzu.

"Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis der Interaktion von Licht und Materie", sagt Studienleiter Abrahao. "Gleichzeitig könnte sie sich in verschiedenen Anwendungen als nützlich erweisen - beispielsweise bei optischen Schaltern, bei denen Licht die Anwesenheit eines anderen Lichts steuert, oder bei Technologien, die eine präzise Steuerung der Lichtdurchlässigkeit erfordern, wie etwa Hochleistungslaser."

Das Experiment nutze bekannte Prozesse, um auf eindrucksvolle Weise zu demonstrieren, wie Materialien zur Lichtkontrolle beitragen könnten, sagt Tomás Chlouba von der Universität Erlangen-Nürnberg dem Wissenschaftsmagazin "New Scientist". Der Experte war nicht an der Studie beteiligt. "Die Wechselwirkungen des Rubins mit dem Laser ähneln beispielsweise denen von Materialien, die bei Laser-Augenoperationen verwendet werden und in der Lage sein müssen, auf Laserlicht zu reagieren, indem sie es blockieren, wenn es gefährlich intensiv wird." Im nächsten Schritt wollen Abrahao und sein Team herausfinden, mit welchen anderen kristallinen Materialien und Laserwellenlängen sich der Schatteneffekt noch erzeugen lässt.