Raum-Zeit-Symmetrie kann unsichtbar machen
Ausgeglichene Verstärkungen und Verluste können bestimmte Objekte von einer Seite quasi unsichtbar und von der anderen zu einem Spiegel machen.
Metamaterialien beruhen derzeit vor allem auf der Manipulation der Lichtbrechung im Subwellenlängenbereich – auch „optische Tarnkappen“ funktionieren nach diesem Prinzip. Vor kurzem wurde entdeckt, dass die Lichtausbreitung auch durch ein gezieltes Wechselspiel von Verstärkung und Verlusten substanziell beeinflusst werden kann. Dazu muss eine bestimmte Symmetriebedingung – die Parity-Time-Symmetrie (PT) –eingehalten werden, so dass bei einer Raum-Zeit-Spiegelung die Verstärkung und Verluste des Lichts ineinander überführt werden.
Abb.: Künstlerische Illustration zur einseitigen Unsichtbarkeit: Kommt ein Lichtstrahl von links, so sind die Reflektionen an den rot-blauen Streukörpern aus PT-symmetrischem Material stärker als der Lichtstrahl selbst. Kommt er von rechts, so ist die Reflektion stark unterdrückt und der Strahl kann die Elemente ungehindert durchdringen. (Bild: C. Bersch)
„Dieses neue Konzept wurde interessanterweise zuerst als alternative Interpretation der Quantentheorie entwickelt“, erklärt Ulf Peschel vom Institut für Optik, Information und Photonik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Gemeinsam mit dem Erlanger Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und Kollegen aus Orlando konnten die Forscher dieses Prinzip jetzt auf die Optik übertragen und auf Lichtpulse in einem großen optischen Netzwerk anwenden. In ihren Experimenten zeigten die Wissenschaftler, dass sich Licht in Faserschleifen mit periodisch gesteuerter Verstärkung und Verlusten grundsätzlich anders ausbreitet als in konventionellen Materialien: Die Leistung optischer Felder kann sich nahezu explosionsartig verändern – in bestimmten Parameterbereichen bewegen sich die Flanken von Lichtpulsen mit Überlichtgeschwindigkeit.
Abb.: Die einseitige Unsichtbarkeit in der experimentellen Messung. (Bild: C. Bersch)
Dank des Wechselspiels von Verstärkung und Verlusten werden so genannte PT-symmetrische Materialien sogar partiell unsichtbar: „Fällt ein Lichtstrahl von einer Seite auf das Medium, wird er vollständig und ohne jegliche Reflexionen transmittiert – das Licht verhält sich so, als sei kein Streukörper vorhanden“, erklärt Peschel. „Kommt der gleiche Lichtstrahl dagegen von der entgegengesetzten Seite, treten extrem starke Reflexionen auf.“ Das in den Experimenten angewendete Verfahren kann direkt auf mikrostrukturierte optische Systeme übertragen werden, wo es völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
FAU / PH
