15.11.2007

Gefangener Regenbogen

Computersimulationen zufolge sollte es möglich sein, Licht verschiedener Wellenlängen mit Metamaterialien abzubremsen und sogar zu stoppen.



Laut Computersimulationen sollte es möglich sein, Licht verschiedener Wellenlängen mit Metamaterialien abzubremsen und sogar zu stoppen.

Guildford (UK) – Tarnkappen und hauchdünne Linsen: An diesen Anwendungen arbeiten Physiker mit so genannten Metamaterialien. Die Grundlage dafür ist der negative Brechungsindex, den diese hochsymmetrisch aufgebauten Strukturen aufweisen. Britische Wissenschaftler sehen nun eine Chance, mit Metamaterialien auch Licht verschiedener Wellenlängen abbremsen und sogar stoppen zu können. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, könnten solche optischen Fallen in Zukunft für photonische Chips und Datenspeicher für Quantencomputer genutzt werden.

Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Denn Ortwin Hess und seine Kollegen von der University of Surrey in Guildford und der University of Salford präsentieren auf der Grundlage von Computersimulationen erst eine Art Bauanleitung, wie eine solche Lichtfalle aus Metamaterialien hergestellt werden könnte. „Eine axial variierende Heterostruktur mit einem Kern mit negativem Brechungsindex kann genutzt werden, um Licht effizient und kohärent zum Stillstand zu bringen“, erläutern die Physiker das Grundprinzip.

Trifft das Wellenpaket eines Photons auf die Grenzschicht von zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices, wird bei der Lichtbrechung die Phase der Welle ein wenig verschoben. Hat ein Material einen negativen Brechungsindex, ist dieser Phasenwechsel negativ. Die Simulationen der Strahlengänge zeigen nun, dass bei immer dünneren Schichten für solche negativ brechenden Wellenleitern dieser Rücksprung der Phase immer dominanter wird. Als Folge könnte im idealen Fall die Gruppengeschwindigkeit der Lichtwelle ganz gestoppt werden.

Bewegen sich die Dimensionen der sich berührenden Wellenleitern mit abwechselnd positivem und negativem Brechungsindex im Bereich einiger Mikrometer, kommt es zu dem gewünschten Abbremsen des Lichts. Von der jeweiligen Dicke der Materialien hängt es ab, für welchen Wellenlängenbereich des Lichts dieser Effekt erzielt wird. Theoretisch lässt sich der Aufbau so anpassen, dass Lichtwellen aus dem gesamten sichtbaren Spektralbereich, von blau bis rot, in jeweils einer anderen Zone gestoppt werden.

Diese Simulationen sind ein erster Schritt, solche Lichtfallen auch experimentell umzusetzen. Jedem Metamaterial mit negativem Brechungsindex gingen ebenfalls aufwändige Strahlengang-Simulationen voraus. Sollte dies gelingen, könnten Lichtwellen erstmals mit einem greifbaren Festkörper bei Raumtemperatur gestoppt werden. Bisher erreichen Physiker dieses Ziel der so genannten elektromagnetisch-induzierten Transparenz mit Gasen aus extrem tiefgekühlten Atomen. „Unsere Ergebnisse verknüpfen zwei wichtige Wissenschaftsbereiche – Metamaterialien und gebremstes Licht“, schreiben Ortwin Hess und seine Kollegen. „Eine kombinierte Forschung könnte zu Anwendungen bei der optischen Datenverarbeitung und -speicherung oder für die Realisierung von quantenoptischen Speichern führen.“

Jan Oliver Löfken

Abb.: http://physicsworld.com/cws/article/news/31803/1/Rainbow

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