Physiker untersuchten Wellenausbreitung durch ungeordnete Materialien

24. März 2014, 14:40
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Forscher der TU Wien simulierten in einer aktuellen Studie Wellenphänomene auf Grundlage der Anderson-Lokalisierung

Wien - Warum ist Milch nicht durchsichtig? Wegen der Lichtstreuung - in Milch lenken unzählige Wasser- und Fetttröpfchen Lichtwellen ab. Wird der Weg von Wellen noch komplizierter, gelingt es nur mehr ganz bestimmten Wellenmustern, ein Medium zu durchdringen. Diese Konsequenz aus einer mit dem Nobelpreis geehrten Theorie der Wellenausbreitung haben nun Wiener Physiker im Computer modelliert und erstmals experimentell nachgewiesen.

Wellen-Ausbreitungs-Phänomene spielen in der Technik eine sehr wichtige Rolle, zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik. Mit aufwändigen Computersimulationen und Mikrowellen-Experimenten gelangten  die Forscher nun zu einem überraschenden Ergebnis: Wenn man Wellen durch immer komplexere Strukturen schickt, "benehmen" sie sich irgendwann ganz einfach und folgen einem einzigen, ganz bestimmten Streumuster. Die Ergebnisse wurden aktuell im Fachjournal "Nature Communications" veröffentlicht.

Anderson-Lokalisierung

Der US-Nobelpreisträger Philip W. Anderson hatte 1958 ein nach ihm benanntes Phänomen (Anderson-Lokalisierung) vorhergesagt, wonach sich Wellen bei äußerst starker Streuung nicht wie in einem herkömmlichen Diffusionsprozess ausbreiten: Vielmehr stoppt ab einem bestimmten Schwellenwert diese diffuse Ausbreitung von Wellen durch ein kompliziertes, inhomogenes Medium "und sie frieren quasi ein, nur mehr ganz charakteristische Wellenzustände führen durch das Medium", erklärt Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien.

Anderson wurde für seine Theorie gemeinsam mit Kollegen 1977 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Es war aber lange nicht möglich, diese komplizierte Ausbreitung von Wellen in ungeordneten Medien nachzuweisen. Rotter hat nun gemeinsam mit Kollegen eine Computersimulation entwickelt und gleichzeitig mit Wissenschaftern der University of Texas in San Antonio (USA) das Phänomen experimentell untersucht. 

Experimenteller Nachweis

Dazu wurden Aluminiumkugeln mit Styropor ummantelt und in eine Röhre gefüllt, durch die dann Mikrowellen geschickt wurden. Die Alu-Kugeln bildeten die völlig zufällig angeordneten Hindernisse, an denen die Mikrowellen gestreut wurden. Im Experiment zeigte sich, dass der Weg der Wellen nicht immer komplizierter wird, je länger die Röhre ist, sondern einfacher. Ab einer bestimmten Länge, also ab einer bestimmten Komplexität der Streuung, gelangt - wie von Anderson vorhergesagt - nur ein einziger Wellen-Zustand durch das System, am Ende der Röhre kommt immer das selbe Wellenmuster heraus. Alle anderen Wellenzustände werden völlig abgedämpft.

"Welches Wellenmuster den Weg durch das gesamte System schafft, ist abhängig von der Frequenz der Welle", so Rotter. Dagegen habe etwa der Einfallswinkel, mit dem man die Welle in das System schickt, keinerlei Einfluss.

Wie Rotter betont, wurde Andersons Theorie anfangs nicht ernst genommen. Erst später wurden die weitreichenden Folgen des von ihm beschriebenen Effekts erkannt. Denn die Wellenausbreitung in ungeordneten Medien tauche in vielen verschiedenen Gebieten der Wissenschaft auf, zum Beispiel bei der Ausbreitung von seismischen Wellen im Erdinneren oder von (Scheinwerfer-)Licht in Nebel. "Mit einem besseren Verständnis und insbesondere mit einer Steuerung dieser Phänomene wird noch sehr viel zu holen sein in den nächsten Jahren", so der Forscher. (APA/red, derStandard.at, 24.3.2014)

  • Aluminiumkugeln in Styropor verpackt: So wurde Wellenstreuung im Labor gemessen.
    foto: university of texas at san antonio

    Aluminiumkugeln in Styropor verpackt: So wurde Wellenstreuung im Labor gemessen.

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