Ljus utövar ett visst mått av tryck på en kropp:solsegel kan alltså driva rymdsonder i framtiden. Dock, när ljuspartiklar (fotoner) träffar en enskild molekyl och slår ut en elektron, molekylen flyger mot ljuskällan. Atomfysiker vid Goethe-universitetet har nu observerat detta för första gången, bekräftar en 90 år gammal teori.

Redan på 1500-talet, den store forskaren Johannes Kepler postulerade att solljus utövade ett visst tryck, eftersom svansen på kometerna han observerade konsekvent pekade bort från solen. 2010 använde den japanska rymdsonden Ikaros för första gången ett solsegel för att utnyttja solljusets kraft för att få lite fart.

Fysiskt och intuitivt, trycket från ljus eller strålning kan förklaras av ljusets karaktäristiska partikel:ljuspartiklar (fotoner) träffar atomerna i en kropp och överför en del av sin egen rörelsemängd (massa gånger hastighet) till den kroppen, som därmed blir snabbare.

Dock, när fysiker på 1900-talet studerade denna momentumöverföring i laboratoriet under experiment på fotoner med vissa våglängder som slog ut individuella elektroner ur atomer, de möttes av ett överraskande fenomen:den utstötta elektronens rörelsemängd var större än den för fotonen som träffade den. Detta är faktiskt omöjligt - sedan Isaac Newton har det varit känt att inom ett system, för varje kraft måste det finnas en lika men motsatt kraft:rekylen, så att säga. Av denna anledning, Münchenforskaren Arnold Sommerfeld drog 1930 slutsatsen att den extra rörelsemängden hos den utstötta elektronen måste komma från atomen den lämnade. Denna atom måste flyga i motsatt riktning; med andra ord, mot ljuskällan. Dock, detta var omöjligt att mäta med de instrument som fanns på den tiden.

Nittio år senare har fysikerna i teamet av doktoranden Sven Grundmann och professor Reinhard Dörner från Institutet för kärnfysik för första gången lyckats mäta denna effekt med hjälp av COLTRIMS reaktionsmikroskop som utvecklats vid Goethe-universitetet i Frankfurt. Att göra så, de använde röntgenstrålar vid acceleratorerna DESY i Hamburg och ESRF i franska Grenoble, för att slå ut elektroner ur helium- och kvävemolekyler. De valde förhållanden som bara skulle kräva en foton per elektron. I COLTRIMS reaktionsmikroskop, de kunde bestämma rörelsemängden för de utstötta elektronerna och de laddade helium- och kväveatomerna – som kallas joner – med oöverträffad precision.

Professor Reinhard Dörner förklarar:"Vi kunde inte bara mäta jonens rörelsemängd, men se också var det kom ifrån – nämligen från rekylen från den utstötta elektronen. Om fotoner i dessa kollisionsexperiment har låg energi, fotonmomentet kan försummas för teoretisk modellering. Med höga fotonenergier, dock, detta leder till oprecision. I våra experiment, vi har nu lyckats bestämma energitröskeln för när fotonmomentet inte längre får försummas. Vårt experimentella genombrott gör att vi nu kan ställa många fler frågor, till exempel vad som förändras när energin fördelas mellan två eller flera fotoner."