Symmetriebruch: Nanopartikel schicken Licht nach links oder rechts

11. Oktober 2014, 12:02
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TU-Physiker führten Versuch mit ultradünner Glasfaser durch - Ergebnisse seien rasch kommerziell einsetzbar

Wien - Regt man ein Teilchen mit Licht an, kann es selbst Licht aussenden - und zwar immer in eine Richtung genau so viel wie in die Gegenrichtung. Diese Abstrahlungssymmetrie lässt sich jedoch mit Nanopartikeln durch das Ausnutzen der sogenannten "Spin-Bahn-Wechselwirkung" des Lichts brechen. Wiener Physiker berichten im Fachjournal "Science", wie sie es geschafft haben, das Licht in einem Glasfaserkabel je nach Wunsch nach links oder nach rechts zu senden.

Möglich wird das, weil Licht einen Eigendrehimpuls hat - den sogenannten Spin. Ähnlich wie ein Pendel, das in einer bestimmten Ebene schwingen oder sich im Kreis drehen kann, können Lichtwellen unterschiedliche Schwingungsrichtungen annehmen. Man spricht dann von polarisiertem Licht.

"Eine gewöhnliche, ebene Welle hat an jedem Ort dieselbe Polarisation", sagt Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien und dem Vienna Center für Quantum Science and Technology (VCQ) . "Doch wenn sich die Intensität des Lichts lokal stark ändert, dann ergibt sich daraus auch eine lokal veränderliche Schwingung."

Der Versuch

Rauschenbeutel und sein Team verwendeten eine Glasfaser mit einem Durchmesser von 315 Nanometern (250 Mal weniger als ein menschliches Haar), auf der ein 90 Nanometer großes Goldpartikel sitzt. Das Teilchen wird dann mit einem Laserstrahl angestrahlt, der im rechten Winkel zur Glasfaser einfällt.

Das Teilchen emittiert daraufhin Licht, wobei ein Teil davon in die Glasfaser geht - und zwar entweder ausschließlich nach links, nach rechts oder in beide Richtungen. Abhängig ist die Richtung von der Polarisation des Laserstrahls. "Wir können die Asymmetrie der Streuung mittels der Polarisation beliebig einstellen", sagt Rauschenbeutel.

Der Effekt

Normalerweise findet die Schwingung des Lichts in einer Ebene statt, die senkrecht auf der Fortbewegungsrichtung steht. Schwingt das Licht kreisförmig, kann man sich das vorstellen wie die Drehung eines Flugzeugpropellers. Dessen Achse entspräche dann dem Spin des Lichts und zeigt in die Richtung der Fortbewegung. Doch das Licht, das sich durch ultradünne Glasfasern bewegt, hat ganz besondere Eigenschaften. Die Intensität des Lichts ist innerhalb der Glasfaser hoch, nach außen nimmt sie aber stark ab.

"Dadurch kommt dort eine Schwingungskomponente entlang der Glasfaser hinzu", sagt Rauschenbeutel. Die Ebene der kreisförmigen Schwingung kippt um 90 Grad. "Die Ausbreitungsrichtung des Lichts steht dann senkrecht zum Spin des Lichts, genau wie sich ein Fahrrad in eine Richtung bewegt, die senkrecht zur Achse der Räder steht."

Die Drehrichtung ist an die Ausbreitungsrichtung gekoppelt. Eine linksdrehende Lichtwelle muss sich im Glasfaserkabel in die andere Richtung ausbreiten als eine rechtsdrehende Welle. Diese Kopplung ergibt sich direkt aus der Geometrie der Glasfaser und den Gesetzen der Elektrodynamik - es tritt besagter Effekt der "Spin-Bahn-Wechselwirkung" auf.

Verwendungsmöglichkeiten

"Diese Technik zur Steuerung von Licht sollte sich rasch kommerziell einsetzen lassen, das ganze Experiment passt schon jetzt in einen Schuhkarton", sagt Rauschenbeutel. Einsetzbar wäre die Methode etwa in integrierten optischen Schaltkreisen, die eines Tages vielleicht die heutigen elektronischen Schaltkreise ersetzen. (red, derStandard.at, 11. 10. 2014)

  • Ein Gold-Nanopartikel wird angestrahlt und sendet seinerseits Licht in eine Glasfaser - aber nicht in beide Richtungen, sondern nur in die gewünschte.
    illustration: tu wien

    Ein Gold-Nanopartikel wird angestrahlt und sendet seinerseits Licht in eine Glasfaser - aber nicht in beide Richtungen, sondern nur in die gewünschte.

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