Extrem fokussierte Pulse

Für viele Anwendungen ist es notwendig, elektro­magnetische Wellen auf sehr kleine räumliche und zeitliche Dimensionen zu fokussieren. Ingenieure bedienen sich dazu unter­schiedlicher Methoden. Eine Gruppe um den Physiker Oriol Romero-Isart vom Institut für Quanten­optik und Quanten­information IQOQI und dem Institut für Theo­retische Physik der Uni­versität Innsbruck präsentiert nun gemeinsam mit Ignacio Cirac und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quanten­optik in Garching bei München ein neues Konzept für die Erzeugung stark fokus­sierter elektro­magnetischer Felder.

Fließt ein elek­trischer Strom durch eine Spule, erzeugt er elektro­magnetische Wellen, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Wird die Spule in einen hohlen Zylinder gesteckt, dessen Ober­fläche die Wellen perfekt reflektiert, dann geschieht etwas sehr Über­raschendes. „Mit einem solchen Aufbau lassen sich beliebig stark fokus­sierte Pulse in beinahe gleichem zeit­lichen Abstand erzeugen“, sagt der Patrick Maurer. „Je mehr Schwingungs­moden angeregt werden, desto stärker werden die Felder fokussiert.“

Mit Hilfe von ana­lytischen Berechnungen haben die Theoretiker die Physik dieses Systems so gut durch­drungen, dass sie ausgehend von den Refle­xionen der elektro­magnetischen Wellen an der Innenseite des Zylinders die Strom­impulse in der Spule so konstruieren konnten, dass eine defi­nierte Anzahl von Moden angeregt wird. „Dank der besonderen Eigen­schaften des Systems muss der Impuls nur ganz gering­fügig angepasst werden, um die Anzahl der Moden zu ändern – sprich, um das Feld stärker zu fokus­sieren. Die durch­schnittliche Frequenz des Impulses bleibt im Wesent­lichen immer die gleiche“, erzählt Jordi Prat-Camps, Postdoc im Team von Oriol Romero-Isart. Über den Radius des Zylinders lässt sich der Frequenzbereich des erzeugten Feldes bestimmen, mit einem, einige Zentimeter dicken Zylinder lassen sich zum Beispiel fokussierte Mikrowellenpulse erzeugen.

Mit nume­rischen Simu­lationen konnten die Innsbrucker Physiker ihre analy­tischen Berechnungen bestätigen. Dabei zeigte sich, dass die Felder ihre beson­deren Eigen­schaften noch eine Zeit lang beibe­halten, wenn sie den Zylinder durch eine der beiden Öffnungen verlassen. Techno­logisch interessant ist das neue Konzept überall dort, wo stark fokus­sierte Felder benötigt werden, zum Beispiel in der Mikro­skopie, wo damit noch exaktere Beobach­tungen möglich wären. Für die Umsetzung ihres Vorschlages nennen die Theo­retiker zwei Dinge, die zu beachten sind: „Erstens muss ein Material gefunden werden, das einen möglichst hohen Frequenz­bereich optimal reflektiert“, sagt Jordi Prat-Camps. „Und dann ist eine präzise Erzeu­gung der von uns errech­neten Stromimpulse notwendig. Je besser man diese Anfor­derungen erfüllen kann, umso deutlicher wird der gewünschte Effekt zu sehen sein.”

U. Innsbruck / JOL