La lumière exerce une certaine pression sur un corps :des voiles solaires pourraient ainsi alimenter les futures sondes spatiales. Cependant, lorsque des particules lumineuses (photons) frappent une molécule individuelle et éliminent un électron, la molécule vole vers la source lumineuse. Les physiciens atomiques de l'université Goethe l'ont observé pour la première fois, confirmant une théorie vieille de 90 ans.

Dès le XVIe siècle, le grand savant Johannes Kepler a postulé que la lumière du soleil exerçait une certaine pression, comme la queue des comètes qu'il a observées pointait constamment à l'opposé du soleil. En 2010, la sonde spatiale japonaise Ikaros a utilisé pour la première fois une voile solaire afin d'utiliser la puissance de la lumière du soleil pour gagner un peu de vitesse.

Physiquement et intuitivement, la pression de la lumière ou du rayonnement peut s'expliquer par la particule caractéristique de la lumière :des particules lumineuses (photons) frappent les atomes d'un corps et transfèrent une partie de leur propre impulsion (masse fois vitesse) sur ce corps, qui devient ainsi plus rapide.

Cependant, lorsqu'au 20ème siècle les physiciens ont étudié ce transfert de quantité de mouvement en laboratoire lors d'expériences sur des photons de certaines longueurs d'onde qui ont fait tomber des électrons individuels des atomes, ils ont rencontré un phénomène surprenant :la quantité de mouvement de l'électron éjecté était supérieure à celle du photon qui l'a frappé. C'est en fait impossible - depuis Isaac Newton, on sait qu'à l'intérieur d'un système, pour chaque force, il doit exister une force égale mais opposée :le recul, pour ainsi dire. Pour cette raison, le scientifique munichois Arnold Sommerfeld a conclu en 1930 que l'impulsion supplémentaire de l'électron éjecté doit provenir de l'atome qu'il a laissé. Cet atome doit voler dans la direction opposée; en d'autres termes, vers la source lumineuse. Cependant, cela était impossible à mesurer avec les instruments disponibles à l'époque.

Quatre-vingt-dix ans plus tard, les physiciens de l'équipe du doctorant Sven Grundmann et du professeur Reinhard Dörner de l'Institut de physique nucléaire ont réussi pour la première fois à mesurer cet effet à l'aide du microscope à réaction COLTRIMS développé à l'université Goethe de Francfort. Faire cela, ils ont utilisé des rayons X dans les accélérateurs DESY à Hambourg et ESRF à Grenoble, afin d'éliminer les électrons des molécules d'hélium et d'azote. Ils ont sélectionné des conditions qui ne nécessiteraient qu'un seul photon par électron. Dans le microscope à réaction COLTRIMS, ils ont pu déterminer la quantité de mouvement des électrons éjectés et des atomes d'hélium et d'azote chargés - appelés ions - avec une précision sans précédent.

Le professeur Reinhard Dörner explique :« Nous n'avons pas seulement pu mesurer la quantité de mouvement de l'ion, mais aussi voir d'où il vient, à savoir, du recul de l'électron éjecté. Si les photons dans ces expériences de collision ont une faible énergie, la quantité de mouvement du photon peut être négligée pour la modélisation théorique. Avec des énergies photoniques élevées, cependant, cela conduit à l'imprécision. Dans nos expériences, nous avons maintenant réussi à déterminer le seuil d'énergie pour le moment où la quantité de mouvement du photon ne peut plus être négligée. Notre percée expérimentale nous permet désormais de poser bien d'autres questions, comme ce qui change lorsque l'énergie est répartie entre deux photons ou plus.