Rätsel um optisch aktive Materialien gelöst

Obwohl man die Polarisation von Licht nicht mit dem bloßen Auge wahrnehmen kann, findet sie im alltäglichen Leben vielfältig Anwendung. Sie wird zum Beispiel zur Wahrnehmung von 3D-Effekten im Kino oder bei der Vermeidung von Reflexionen ausgenutzt. Während bei Glas und vielen transparenten Plastiken die Polari­sation nach dem Durchgang des Lichtstrahls erhalten bleibt, kommt es bei Materialien mit einer chiralen Struktur, bei der die Rechts-Links-Symmetrie gebrochen ist, zu einer Drehung der Polarisations­richtung. Physikern der Universität Leipzig ist bei der Beschreibung der Eigenschaften dieser optisch aktiven Materialien nun ein Durchbruch gelungen.

Die Beschreibung der Eigenschaften optisch aktiver Materialien und ihre Wechsel­wirkung mit Licht erfolgt mit Material­gleichungen. Doch eine experimentelle Überprüfung der Anwendbarkeit und Gültigkeit dieser unter­schiedlichen Gleichungen war bisher mit den üblichen Trans­missions-Experimenten nicht möglich. Forscher des Felix-Bloch-Institutes der Universität Leipzig um Marius Grundmann konnten kürzlich erstmals die Gültigkeit der unter­schiedlichen Modelle für die Material­gleichungen basierend auf experimen­tellen Ergebnissen überprüfen. Sie bestimmten die optische Aktivität mit polarisations­sensitiven Reflexions­messungen.

Dazu untersuchten sie Kalium­titanyl­phosphat, das unter anderem in grünen Laserpointern verwendet wird, und werteten die gemessene Polarisations­änderung des reflek­tierten Lichtes mit verschiedenen Modellen aus. Es gelang ihnen, in dem Experiment die optische Aktivität des Kalium­titanyl­phosphats zu bestimmen. „Bei diesem Versuch handelt es sich um eines der wenigen verfügbaren Experimente dieser Art“, sagt Grundmann. Die Forscher konnten zudem erstmals experimentell belegen, dass nur bezüglich elektrischer und magnetischer Felder symmetrische Material­gleichungen die optischen Eigenschaften und damit auch die optische Aktivität sowie die Wechsel­wirkung des Lichtes mit dem Material eineindeutig und richtig beschreiben.

Ein typischer Vertreter für ein optisch aktives Material ist Zucker. Fruktose oder Glukose können zum Beispiel durch die Richtung ihrer Polarisations­drehung unterschieden werden. Praktische Bedeutung hat die optische Aktivität unter anderem bei der Bestimmung der Reinheit von Materialien, etwa in Arzneimitteln, die in links- beziehungs­weise rechtshändiger Ausführung sehr verschiedene Wirkungen erzielen können. Die experimen­tellen Arbeiten führten die Wissenschaftler mit einem Großgerät durch, das von der Sächsischen Aufbaubank (SAB) im Projekt COSIMA im Rahmen eines Förder­programms bewilligt wurde.

U. Leipzig / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Sturm et al.: Applicability of the constitutive equations for the determination of the material properties of optically active materials, Opt. Lett. 44, 1351 (2019); DOI: 10.1364/OL.44.001351
• Arbeitsgruppe M. Grundmann, Felix-Bloch-Institut, Universität Leipzig