Wenn Eisen durchsichtig wird

12. Februar 2012, 19:30
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Ein deutsches Forschungsteam konnte zeigen, dass Röntgenlicht Eisenatome ungehindert passieren kann

Hamburg - Atomkerne mit Hilfe von Röntgenlicht transparent zu machen, gelang einer Gruppe um Ralf Röhlsberger vom Forschungszentrum DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron). Sie entdeckten dabei gleichzeitig ein neues Prinzip, um einen optisch gesteuerten Schalter für Licht herzustellen, also Licht mit Licht zu beeinflussen - ein wichtiger Baustein auf dem Weg zu leistungsfähigen Quantencomputern. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen "Nature"-Ausgabe publiziert.

Der Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) ist aus der Laserphysik bekannt. Durch die Einstrahlung von intensivem Laserlicht kann man ein normalerweise undurchsichtiges Material für Licht einer bestimmten Wellenlänge transparent machen. Dieser Effekt entsteht durch ein komplexes Wechselspiel des Lichtes mit der Elektronenhülle der Atome. Die Forscher konnten nun zeigen, dass es so einen Transparenzeffekt auch für Röntgenlicht gibt und dabei nur sehr geringe Lichtintensitäten gebraucht werden.

Experiment

Die Forscher platzierten für ihre Experimente zwei dünne Schichten von Eisen-57-Atomen (ein Isotop) in einem optischen Resonator, einer Anordnung zweier paralleler Platinspiegel, zwischen denen Röntgenlicht mehrfach hin und her reflektiert wird. Die beiden jeweils etwa drei Nanometer dicken Schichten von Eisen-57-Atomen wurden zwischen den beiden Platinspiegeln durch Kohlenstoff, der für Röntgenlicht der verwendeten Energie durchlässig ist, präzise in Position gehalten. Das so hergestellte Sandwich aus dünnen Schichten, das nur rund 50 Nanometer dick ist, beleuchteten die Forscher unter sehr kleinen Einfallswinkeln mit einem äußerst dünnen Röntgenstrahl der Synchrotronlichtquelle PETRA III.

Das Licht wird innerhalb dieses Spiegelsystems etliche Male hin- und her reflektiert und bildet eine stehende Welle, eine sogenannte Resonanz. Stehen die Wellenlänge des Lichts und die Abstände der beiden Eisenschichten in diesem optischen Resonator im richtigen Verhältnis zueinander, können die Forscher beobachten, dass das Eisen für das Röntgenlicht fast vollständig durchsichtig wird.

Erklärung

Die Forscher machen für diese Beobachtung einen quantenoptischen Effekt verantwortlich, der durch das Zusammenspiel der Atome in den Eisenschichten hervorgerufen wird: Anders als bei einzelnen Atomen absorbieren und strahlen hier die Atome einer Schicht gemeinsam im Ensemble. Die Schwingungen der Eisenatome in den beiden Schichten kompensieren sich dabei gegenseitig, so dass das eingestrahlte Licht ungehindert passieren kann: Das Eisen erscheint durchsichtig.

Zudem zeigte sich bei den Experimenten eine weitere Parallele zum EIT-Effekt: Das im optischen Resonator gefangene Licht breitete sich nur noch mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde aus – normalerweise sind es knapp 300.000 Kilometer pro Sekunde. Wie langsam das Licht in diesem Fall wirklich wird, und ob man diesen Effekt ebenfalls wissenschaftlich nutzen kann, sollen Folgeexperimente klären. (red)

  • Die Vielfachbilder zweier Objekte zwischen zwei parallelen Spiegeln illustrieren das Prinzip der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Atomkernen: Lässt man Röntgenstrahlen zusammen mit zwei Eisenschichten in so einem Spiegelsystem (Optischer Resonator) miteinander wechselwirken, so entsteht ein quantenmechanischer Überlagerungszustand aus dem Eisen und seinen Spiegelbildern, der die Atomkerne des Eisens durchsichtig erscheinen lässt.
    foto: desy

    Die Vielfachbilder zweier Objekte zwischen zwei parallelen Spiegeln illustrieren das Prinzip der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Atomkernen: Lässt man Röntgenstrahlen zusammen mit zwei Eisenschichten in so einem Spiegelsystem (Optischer Resonator) miteinander wechselwirken, so entsteht ein quantenmechanischer Überlagerungszustand aus dem Eisen und seinen Spiegelbildern, der die Atomkerne des Eisens durchsichtig erscheinen lässt.

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