Dünnes Gold für Faraday-Effekt
Neuartige nano-optische Struktur kann die Zeitumkehr brechen.
Forscher der Universität Stuttgart haben eine neuartige Nanostruktur entwickelt, die das physikalische Phänomen der Zeitumkehr bricht. Jessie Chin und Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut stellten eine Struktur, die Gold-Nanomaterialien mit magneto-optischen Dünnschichten kombiniert, vor. Sie vergrößert den Faraday-Effekt auf elegante Art und lässt sich in optischen Glasfasernetzen oder für neuartige großflächige optische Beschichtungen einsetzen.
Abb.: Aufbau und Geometrie des Dünnfilm-Faradayrotators. (Bild: U. Stuttgart)
Michael Faraday entdeckte 1845, dass Materialien wie Glas oder bestimmte Kristalle die Polarisationsrichtung von Licht drehen können, wenn man von außen ein starkes Magnetfeld entlang der Ausbreitungsrichtung anlegt. Je größer das Magnetfeld, desto stärker wird die Polarisationsrichtung gedreht über eine Strecke von mehreren Zentimetern um bis zu 45 Grad. Dieser Effekt wird noch einmal verdoppelt, wenn man hinter dem Kristall einen Spiegel aufstellt, der das Licht durch den Kristall wieder zurücksendet. Man kann auf diese Art eine Polarisationsdrehung um 90 Grad erreichen und als „optische Isolation“ mit einem Polarisationsfilter das reflektierte Licht herausfiltern.
Ein Magnetfeld gibt eine ausgezeichnete Richtung vor. Dadurch kann das Licht genau die Richtung unterscheiden, in die es läuft. So wird die Polarisationsdrehung vorgegeben – unabhängig davon ob das Licht hin oder zurück läuft. Diesen Symmetriebruch bezeichnet man auch als Bruch der Zeitumkehr. Er steht im Gegensatz zur Schulbuch-Physik der „optischen Aktivität“ in einer Zuckerlösung, bei der das Licht nicht unterscheiden kann, in welche Richtung es läuft.
Die besten momentan vorhandenen Kristalle für die optische Isolation benötigen Magnetfelder mit einer Flussdichte von mehreren Tesla und sind einige Zentimeter dick. Der neue Ansatz kombiniert dagegen hauchdünne Gold-Nanostrukturen und magneto-optische Materialien aus Yttrium-Eisen-Aluminiumoxid, wie sie in der Computertechnologie verwendet werden. Die Goldstrukturen, die nur 10-7 Meter groß sind, konzentrieren dabei das Licht in dem ähnlich dünnen magneto-optischen Film. Dadurch konnten Chin und Giessen die gesamte Struktur auf den Bruchteil eines Millimeters reduzieren und Drehungen im Bereich von einem Grad erreichen. Das magneto-optische Material wurde von Spezialisten der Universität Augsburg aus der Gruppe von Bernd Stritzker mittels Laserstrahlverdampfen hergestellt.
Jessie Chin sieht Anwendungsmöglichkeiten vor allem im Bereich der optischen Datenkommunikation für Glasfasern, wo die bisherigen großen Faraday-Isolatoren ein wesentlicher Kostenfaktor sind. Aber auch großflächige Beschichtungen wären möglich, zum Beispiel auf Linsen. Das wäre eine ganz neue Art, um Reflexe in optischen Systemen zu eliminieren. „Um einen industrietauglichen Dünnfilm-Faraday-Isolator zu verwirklichen, besteht allerdings noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf“, so Giessen. Optimierungsmöglichkeiten bestehen bei den Materialien und beim geschickten Design der Nanogeometrie.
U. Stuttgart / PH
