Elektromagnetische Wellen: Innsbrucker Forscher designen ultrascharfe Pulse

27. Juli 2017, 14:37
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"Simpler Aufbau" zur Erzeugung beliebig stark fokussierter elektromagnetischer Felder

Innsbruck – Innsbrucker Forscher haben einen relativ einfachen Aufbau entworfen, mit dem sich theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugen lassen. Dazu brauche es eine Spule und einen Zylinder, an dessen Wänden die Wellen reflektiert werden, berichtet das Team im Fachblatt "Physical Review Letters". Die Arbeit könnte den Weg in Richtung neuer Sensoren und Mikroskopie-Innovationen ebnen.

Hintergrund

Um mit elektromagnetischen Wellen wie Mikrowellen, Wärme- oder Röntgenstrahlung oder sichtbarem Licht technische Anwendungen zu realisieren, müssen diese oftmals gezielt beeinflusst werden. Zu den zahlreichen bisher gängigen Beeinflussungsmethoden hat das Team rund um den Physiker Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck nun in einer theoretischen Arbeit einen neuen Ansatz hinzugefügt.

Dabei handelt es sich um "einen simplen Aufbau", sagt Jordi Prat-Camps vom IQOQI. Der springende Punkt in dem Konzept ist die Quelle des elektromagnetischen Feldes. Als solche fungiert eine Spule in einem Zylinder, an die elektrischer Strom angelegt wird, was dazu führt, dass Wellen erzeugt werden, die sich normalerweise in alle Richtungen ausbreiten. In dem Zylinder, dessen Innenseite aus einem Material besteht, das die Wellen vollständig reflektiert, werden diese allerdings geleitet.

Der Reiz der Einfachheit

"Das Neue an unserem Ansatz ist, dass wenn man die Spule mit einem ganz bestimmten elektrischen Signal anregt und das Signal sehr gezielt verändert, ein neuer, überraschender Effekt sehr stark fokussierter elektromagnetischer Pulse auftritt", so Prat-Camps. Diese Pulse lassen sich nach einem bestimmten Schema beliebig bündeln und in ihrer zeitlichen Abfolge einstellen.

Das Verlockende an dem Ansatz, an dessen Entwicklung auch der führende theoretische Quantenphysiker Ignacio Cirac und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München beteiligt waren, ist laut Prat-Camps seine Einfachheit. Die Theoretiker hoffen nun, mit ihrer Arbeit die Fantasie ihrer experimentell arbeitenden Kollegen anzuregen.

Auch wenn die Idee auf den ersten Blick simpel erscheint, stecke der Teufel im Detail: "Es braucht sehr feine und präzise Physik, um die Quelle so einzustellen, damit der Effekt auftritt." Gelingt das, stecke viel Potenzial in dem Aufbau, zeigte sich der Forscher überzeugt.

In der Mikroskopie würden momentan nämlich Spezialmaterialien eingesetzt, um Licht möglichst stark zu fokussieren. Prat-Camps dazu: "Da wir hier keine solchen seltsamen Materialien verwenden, denken wir, dass es sich bei unserem Ansatz um eine einfachere Alternative für den Bereich handeln könnte."

Ein Quasi-Sensor

Da das System so empfindlich auf Veränderungen reagiert, könnte es auch selbst als eine Art Sensor eingesetzt werden. Etwa indem man ein Gas oder irgendein anderes Material in den Wellenleiter einbringt, das den sensiblen Bündelungs-Effekt in bestimmter Art und Weise stört. Aus der Veränderung ließen sich dann Rückschlüsse über die Beschaffenheit des Störfaktors ziehen. (APA, red, 27. 7. 2017)

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