Einseitiges Licht
Nanopartikel sorgen für einseitige Abstrahlung von Licht in Glasfasern.
Woher kennt ein Lichtstrahl den Unterschied zwischen links und rechts? An der TU Wien haben Forscher winzige Teilchen nun dazu gebracht, Licht nicht wie sonst in beide Richtungen gleichermaßen abzustrahlen, sondern in einem Glasfaserkabel je nach Wunsch nach links oder nach rechts zu senden. Möglich wird das durch Ausnutzen der Spin-Bahn-Wechselwirkung des Lichts.
Abb.: Ein Goldpartikel wird angestrahlt und sendet dann seinerseits Licht in eine Glasfaser, und zwar nur in die gewünschte Richtung. (Bild: TU Wien)
Wenn man ein Teilchen mit Licht anregt, kann es danach seinerseits Licht aussenden. „Ein Teilchen im freien Raum wird allerdings in eine bestimmte Richtung immer genau so viel Licht strahlen wie in die Gegenrichtung“, erklärt Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der TU Wien. Seiner Forschungsgruppe gelang es nun, in einem Experiment diese Abstrahlungs-Symmetrie zu brechen – mit Nanopartikeln aus Gold, die sie an eine ultradünne Glasfaser ankoppelten. Über die Art des einfallenden Laserlichtes lässt sich steuern, ob die Partikel ihr Licht in der Glasfaser nach links oder nach rechts schicken.
Möglich wird das, weil Licht einen Spin hat. 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 Arno Rauschenbeutel. Die Ebene der kreisförmigen Schwingung kippt um neunzig 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.“
Betrachtet man ein Fahrrad von der Seite, bestimmt der Drehsinn der Räder – im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn – ob die Fahrt nach rechts oder links geht. Genauso ist es nun bei dieser Art von Lichtschwingung: 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.
Wenn man also ein Teilchen, das an die Glasfaser gekoppelt ist, gezielt so anregt, dass es Licht einer bestimmten Schwingungs-Drehrichtung emittiert, dann lässt sich auf diese Weise festlegen, ob das ausgesandte Licht in der Glasfaser nach links oder nach rechts laufen soll. Nachgewiesen wurde dieser Effekt nun im Experiment mit einem einzelnen Gold-Nanopartikel auf einer ultradünnen Glasfaser.
Die Durchmesser der Glasfaser und waren dabei etwa 250mal kleiner als der eines menschlichen Haars, der Goldpartikel war nochmals viermal kleiner. Damit sind die Durchmesser von Glasfaser und Partikel sogar geringer als die Wellenlänge des ausgesandten Lichts. „Diese Technik zur Steuerung von Licht sollte sich rasch kommerziell einsetzen lassen – das ganze Experiment passt schon jetzt in einen Schuhkarton“, sagt Arno Rauschenbeutel. „Man könnte die Methode zum Beispiel in integrierten Schaltkreisen für Licht einsetzen, die eines Tages vielleicht die heutigen elektronischen Schaltkreise ersetzen.“
TU Wien / DE
