Gebundenes Licht: Physiker haben mit Hilfe einer neuartigen Falle Licht eingefangen und damit einen physikalischen Effekt gezeigt, der experimentell noch nie gezeigt wurde. Dabei verhindert eine spezielle Struktur die Ausbreitung von Wellen, obwohl das Lichtspektrum außerhalb des Spektralbereichs des Interferenzmusters liegt. War vorher nicht klar, ob mit dieser Kombination sogar eine Lichterkette durch den sogenannten Anderson-Standort möglich ist, wurde es nun gezeigt.
Phänomene wie Brechung und Beugung von Licht zeigen, dass bestimmte Materialien Licht und andere Strahlung beeinflussen können. Diese Wechselwirkungen können die Richtung, Phase, Polarisation oder Wellenlänge des Lichts ändern. In speziellen Metamaterialien und photonischen Kristallen ist es Physikern sogar gelungen, Licht anzuhalten oder seine Phasengeschwindigkeit ins Unendliche zu beschleunigen.
Anderson-Standort: feste Wellen
Eine andere Möglichkeit, Licht und andere Wellen zu manipulieren, ist die sogenannte Anderson-Position. Sie basiert auf einer theoretischen Vorhersage des amerikanischen Physikers Philip Anderson aus dem Jahr 1958. Demnach kann die störende Wirkung bestimmter Strukturen – der sogenannten ungeordneten Systeme – frei bewegliche Elektronen und andere Quantenteilchen plötzlich stoppen. Im Fall von Elektronen macht dies aus einem Leiter plötzlich einen Isolator.
Seitdem wurde dieser Anderson-Standort auch für verschiedene Formen von Strahlung und Schallwellen nachgewiesen. Allerdings schien es eine Einschränkung zu geben: Diese Wellenfallen funktionieren nur, wenn die Maschenweite der Manipulatorstruktur zum Spektrum und damit zur Wellenlänge der Strahlung passt. „Experimentell war daher Andersons Standort immer auf den Spektralbereich der Störung beschränkt“, sagten Alex Dikopoltsev vom Technion in Haifa und Kollegen.
Geht das auch bei einer “unsichtbaren” Falle?
Aber jetzt haben Physiker diese Grenze überschritten: Sie haben gezeigt, dass Strukturen, die für Licht „unsichtbar“ sind, weil sie außerhalb ihres Spektrums liegen, auch Wellen aufnehmen können. Dikopoltsev und sein Team hatten dies bereits 2019 theoretisch vorhergesagt, nun ist ihnen gemeinsam mit Kollegen der Universität Rostock auch der experimentelle Test gelungen.
Für ihr Experiment konstruierten die Physiker zunächst eine photonische Struktur, die wie eine Lichtfalle als ungeordnetes Störsystem wirkt. „Dazu haben wir kilometerlange optische Glasfasern so miteinander verbunden, dass die Lichtausbreitung in diesen Fasern die Bewegung von Elektronen in ungeordneten Materialien nachahmt“, erklärt Co-Autor Sebastian Weidemann von der Universität Rostock. Durch dieses System schickten die Forscher dann Strahlungspakete, deren Wellenzahlen deutlich über oder unter der spektralen Größe der Störstruktur lagen.
Erfolgreicher experimenteller Test
Das Ergebnis: „Wir konnten deutlich erkennen, dass Lichtwellen auf kleine räumliche Bereiche begrenzt sind, auch wenn die Störung für sie praktisch unsichtbar ist“, berichtet Weidemann. Die Wellenpakete blieben an Ort und Stelle und zeigten deutliche Hinweise auf Andersons Standort. „Wir haben erstmals experimentell gezeigt, dass eine Anderson-Lokalisierung auch komplett außerhalb des Spektralbereichs der Störung stattfinden kann“, so die Physiker.
Dieser neue Effekt tritt laut seiner Analyse durch virtuelle Übergänge auf: „Durch die Lichtwellen, die mehrmals hintereinander mit der fast unsichtbaren Unordnung interagieren, kann ein unerwartet starker Effekt entstehen, der diese Lichtwellen sogar an den Standort von Anderson zwingt“, erklärt er Dikopolzew. “Infolgedessen können Wellen einer beliebigen Anzahl von Wellen, sogar jenseits des Spektrums der Unordnung, Andersons Standort erfahren.”
Es ist auch wichtig für praktische Anwendungen
Diese Ergebnisse erweitern nicht nur das Wissen über die Wellenausbreitung in ungeordneten Systemen, sondern sind auch für konkrete technische Anwendungen von Bedeutung. Denn sie führt zu neuen Möglichkeiten, Ströme durch diese ungeordneten Systeme, egal ob Licht, Schall oder Elektronen, gezielt zu unterdrücken. (Scientific Advances, 2022; doi: 10.1126 / sciadv.abn7769)
Quelle: Universität Rostock
3. Juni 2022
– Nadja Podbregar