La luce esercita una certa pressione su un corpo:le vele solari potrebbero quindi alimentare in futuro le sonde spaziali. Però, quando le particelle di luce (fotoni) colpiscono una singola molecola e eliminano un elettrone, la molecola vola verso la sorgente luminosa. I fisici atomici della Goethe University lo hanno osservato per la prima volta, confermando una teoria vecchia di 90 anni.

Già nel XVI secolo, il grande studioso Johannes Kepler postulò che la luce del sole esercitasse una certa pressione, poiché la coda delle comete che osservava puntava costantemente lontano dal sole. Nel 2010 la sonda spaziale giapponese Ikaros ha utilizzato per la prima volta una vela solare per sfruttare la potenza della luce solare per guadagnare un po' di velocità.

Fisicamente e intuitivamente, la pressione della luce o della radiazione può essere spiegata dalla caratteristica particellare della luce:le particelle di luce (fotoni) colpiscono gli atomi di un corpo e trasferiscono una parte del proprio momento (massa per velocità) su quel corpo, che diventa così più veloce.

Però, quando nel XX secolo i fisici studiarono questo trasferimento di quantità di moto in laboratorio durante esperimenti su fotoni di determinate lunghezze d'onda che espellevano singoli elettroni dagli atomi, incontrarono un fenomeno sorprendente:la quantità di moto dell'elettrone espulso era maggiore di quella del fotone che lo aveva colpito. Questo è in realtà impossibile:da Isaac Newton è noto che all'interno di un sistema, per ogni forza deve esistere una forza uguale ma contraria:il rinculo, per così dire. Per questa ragione, lo scienziato di Monaco Arnold Sommerfeld concluse nel 1930 che il momento aggiuntivo dell'elettrone espulso doveva provenire dall'atomo che aveva lasciato. Questo atomo deve volare nella direzione opposta; in altre parole, verso la sorgente luminosa. Però, questo era impossibile da misurare con gli strumenti disponibili in quel momento.

Novant'anni dopo i fisici del team del dottorando Sven Grundmann e del professor Reinhard Dörner dell'Istituto di fisica nucleare sono riusciti per la prima volta a misurare questo effetto utilizzando il microscopio a reazione COLTRIMS sviluppato presso l'Università Goethe di Francoforte. Fare così, hanno usato i raggi X presso gli acceleratori DESY ad Amburgo e ESRF a Grenoble francese, per eliminare gli elettroni dalle molecole di elio e azoto. Hanno selezionato condizioni che avrebbero richiesto un solo fotone per elettrone. Nel microscopio a reazione COLTRIMS, sono stati in grado di determinare la quantità di moto degli elettroni espulsi e degli atomi di elio e azoto carichi, che sono chiamati ioni, con una precisione senza precedenti.

Il professor Reinhard Dörner spiega:"Non solo siamo stati in grado di misurare la quantità di moto degli ioni, ma vedere anche da dove viene, vale a dire, dal rinculo dell'elettrone espulso. Se i fotoni in questi esperimenti di collisione hanno bassa energia, il momento del fotone può essere trascurato per la modellazione teorica. Con energie fotoniche elevate, però, questo porta all'imprecisione. Nei nostri esperimenti, siamo ora riusciti a determinare la soglia di energia per quando il momento del fotone non può più essere trascurato. La nostra svolta sperimentale ci consente ora di porre molte più domande, come quello che cambia quando l'energia viene distribuita tra due o più fotoni."