Nanohebel messen transversalen Lichtdruck

Schon Johannes Kepler hatte vermutet, das Licht der Sonne übe einen Druck auf den Schweif von Kometen aus. Das würde erklären, warum die Kometen­schweife sich stets von der Sonne weg­bewegen. Mit den Arbeiten vieler anderer heraus­ragender Forscher – von Huygens über Newton, Euler, Maxwell bis zu Poynting – hat sich dann der Begriff des Strahlungs­drucks etabliert, der in Normal­richtung zur Wellen­front wirkt. Dieser Strahlungs­druck beruht auf dem Impuls der Photonen. Wie der nieder­ländische Quanten­theoretiker Frederik Jozef Belinfante 1940 heraus­fand, besitzt das Licht­feld aber auch noch eine trans­­versale Komponente, die vom Spin abhängt. Die Begründung für diesen seitlichen Licht­druck liegt in relati­vis­tischen, quanten­feld­theore­tischen Rechnungen zum Spannungs-Energie-Tensor des elektro­magne­tischen Feldes.

Diese seitliche Komponente ist um Größenordnungen schwächer als der normale Licht­druck und tritt in allen struk­turierten elektro­magne­tischen Feldern auf, die nicht einfach nur eine ebene, homogene Welle dar­stellen. Zunächst als virtu­eller Beitrag zum Licht­feld betrachtet, sollte diese Kompo­nente aber prinzi­piell doch mess­bar sein. Ein inter­nationales Forscher­team hat jetzt neue techno­logische Entwick­lungen in der Raster­kraft­mikro­skopie genutzt, um den trans­versalen Licht­druck zu messen. „Der unge­wöhn­liche Aspekt bei dieser Wechsel­wirkung liegt darin, dass diese Kompo­nente senk­recht zur Aus­breitungs­richtung des Lichts wirkt und seine Orien­tierung sich abhängig von der Händig­keit der zirku­laren Polari­sation ändert”, sagt Massimo Antognozzi von der Uni­versity of Bristol.

Wie Theoretiker des japanischen Forschungs­zentrums RIKEN im Jahr 2014 heraus­fanden, tritt die trans­versale Kompo­nente insbe­sondere in evanes­zenten Licht­feldern auf, wie sie sich hinter einer total­reflek­tie­renden Ober­fläche aus­bilden. Auch bei einer Total­reflexion ver­schwindet das elektro­magne­tische Feld nicht sofort an der Grenz­fläche, sondern fällt rasch ab. In diesem struk­tu­rierten Licht­feld sollte die trans­versale Kompo­nente mit neuen Techniken mess­bar sein.

Dazu nutzten Antognozzi und seine Kollegen extrem sensible Nanohebel, die sich mit einer typischen Steifig­keit zwischen 10-6 N/m und 10-5 N/m und einer Kraft­auf­lösung im Bereich von Femto­newton hervor­ragend für solche Messungen eignen. Damit lässt sich etwa das Gewicht einzelner Bakterien messen. In Bristol stellt inzwischen ein neues Startup-Unter­nehmen namens Nu Nano solche Nanohebel her. Die Nanohebel haben eine Dicke von nur fünfzig Nano­metern, bei einer Breite von rund einem Mikro­meter und 120 Mikro­metern Länge. Sie werden in late­ralen Molekular­kraft-Mikro­skopen einge­setzt.

Die Forscher vermaßen mit den Nanohebeln das Licht­feld hinter einer total­reflek­tie­renden Ober­fläche. Dabei stellte sich den Forschern jedoch das Problem, die verschie­denen Kompo­nenten des Lichts aus­ein­ander­zu­halten – insbesondere, da auch die neuen Nanohebel nicht perfekt nur in einer Richtung maßen, sondern stets auch andere Kompo­nenten drohten, das Ergebnis zu ver­fälschen. „Ein bedeutendes Problem war der große Unter­schied zwischen den drei Komponente des Impulses: die vertikale Gradienten­kraft, der longi­tu­dinale Strahlungs­druck und die extrem schwache trans­versale, spin­ab­hängige Kompo­nente”, so Antognozzi.

Das Lichtfeld erzeugten die Forscher mit Hilfe eines roten Lasers von 660 Nano­metern Wellen­länge, das sie durch eine Viertel­wellen­platte schickten, um die nötige Polari­sation zu erzeugen. Hinter einer total­reflek­tie­renden Glas-Luft-Ober­fläche maßen sie dann das Licht­feld mit dem Nanohebel, den sie mit einem zweiten Laser mit einer Genauig­keit von bis zu einem Nano­meter aus­lasen. Durch Vari­ation der Para­meter und An- und Aus­schalten des roten Lasers konnten die Wissen­schaftler so die schwache trans­versale Kompo­nente ein­deutig bestimmen.

Damit ist nicht nur eine fundamentale Eigenschaft des Licht­felds erst­mals experi­mentell bestimmt. Die Wissen­schaftler hoffen, in Zukunft mit ihren extrem empfind­lichen Techniken auch andere nano­skaligen Anwendungen erforschen zu können, bei denen die Komplexität und die Richtungs­ab­hängig­keit des Licht­felds konven­tio­nelle Methoden unmög­lich machen. Hierzu gehört etwa die Charak­teri­sierung von Licht­feldern über Nano­strukturen oder dünnen Filmen – insbe­sondere, wenn Chira­lität eine Rolle spielt. Aber auch plasmo­nische Anwendungen könnten sich nach Ansicht der Forscher als interes­santes Gebiet erweisen. Nicht zuletzt für die Opto­mechanik erhoffen die Forscher neue Möglich­keiten. Ange­sichts der Schwäche des nun nach­ge­wiesenen Effekts ist aller­dings noch etwas unklar, wie er sich nutzen lassen könnte, ohne vom normalen Strahlungs­druck völlig über­lagert zu werden. Vielleicht ließe sich der Effekt in speziell struk­tu­rierten Licht­feldern ja maximieren.

Dirk Eidemüller

RK