Licht oefent een zekere druk uit op een lichaam:zonnezeilen zouden dus in de toekomst ruimtesondes kunnen aandrijven. Echter, wanneer lichtdeeltjes (fotonen) een individueel molecuul raken en een elektron uitschakelen, het molecuul vliegt naar de lichtbron. Atoomfysici van de Goethe Universiteit hebben dit nu voor het eerst waargenomen, bevestiging van een 90 jaar oude theorie.

Al in de 16e eeuw, de grote geleerde Johannes Kepler stelde dat zonlicht een zekere druk uitoefende, terwijl de staart van de kometen die hij observeerde consequent van de zon af wees. In 2010 gebruikte de Japanse ruimtesonde Ikaros voor het eerst een zonnezeil om de kracht van zonlicht te gebruiken om een ​​beetje snelheid te winnen.

Fysiek en intuïtief, de druk van licht of straling kan worden verklaard door de deeltjeskarakteristiek van licht:lichtdeeltjes (fotonen) vallen op de atomen van een lichaam en brengen een deel van hun eigen momentum (massa maal snelheid) over op dat lichaam, die dus sneller wordt.

Echter, toen in de 20e eeuw natuurkundigen deze impulsoverdracht in het laboratorium bestudeerden tijdens experimenten met fotonen van bepaalde golflengten die individuele elektronen uit atomen sloegen, ze stuitten op een verrassend fenomeen:het momentum van het uitgeworpen elektron was groter dan dat van het foton dat het trof. Dit is eigenlijk onmogelijk - sinds Isaac Newton is bekend dat binnen een systeem, voor elke kracht moet er een gelijke maar tegengestelde kracht bestaan:de terugslag, bij wijze van spreken. Om deze reden, de Münchense wetenschapper Arnold Sommerfeld concludeerde in 1930 dat het extra momentum van het uitgeworpen elektron moet komen van het atoom dat het verliet. Dit atoom moet in de tegenovergestelde richting vliegen; met andere woorden, richting de lichtbron. Echter, dit was met de toen beschikbare instrumenten niet te meten.

Negentig jaar later zijn de natuurkundigen in het team van promovendus Sven Grundmann en professor Reinhard Dörner van het Instituut voor Kernfysica er voor het eerst in geslaagd dit effect te meten met de COLTRIMS-reactiemicroscoop die is ontwikkeld aan de Goethe-universiteit in Frankfurt. Om dit te doen, ze gebruikten röntgenstralen bij de versnellers DESY in Hamburg en ESRF in Frans Grenoble, om elektronen uit helium- en stikstofmoleculen te kloppen. Ze selecteerden omstandigheden waarvoor slechts één foton per elektron nodig was. In de COLTRIMS-reactiemicroscoop, ze waren in staat om het momentum van de uitgestoten elektronen en de geladen helium- en stikstofatomen - die ionen worden genoemd - met ongekende precisie te bepalen.

Professor Reinhard Dörner legt uit:"We waren niet alleen in staat om het momentum van het ion te meten, maar kijk ook waar het vandaan kwam, namelijk van de terugslag van het uitgestoten elektron. Als fotonen in deze botsingsexperimenten een lage energie hebben, het foton-momentum kan worden verwaarloosd voor theoretische modellering. Met hoge foton-energieën, echter, dit leidt tot onnauwkeurigheid. In onze experimenten, we zijn er nu in geslaagd om de energiedrempel te bepalen voor wanneer het fotonenmomentum niet meer mag worden verwaarloosd. Dankzij onze experimentele doorbraak kunnen we nu veel meer vragen stellen, zoals wat er verandert wanneer de energie wordt verdeeld tussen twee of meer fotonen."