Spin-Hall-Effekt jetzt auch mit Photonen

Wer hätte gedacht, dass sich bei der Lichtbrechung noch Überraschendes entdecken lässt: US-amerikanische Forscher fanden winzige Abweichungen vom Brechungsgesetz.

Wie man schon aus der Schule weiß, wird ein Lichtstrahl beim Übergang von der Luft in eine Glasplatte aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und zum Einfallslot hin gebrochen. Der einfallende und der gebrochene Lichtstrahl liegen dabei in einer Ebene. Doch jetzt haben Physiker an der University of Illinois in Urbana-Champaign beobachtet, dass der gebrochene Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten wurde, die um einige Nanometer seitlich verschoben waren. Dahinter steckt der so genannte Spin-Hall-Effekt, den man zuvor schon mit Elektronen nachgewiesen hatte.

Der Spin-Hall-Effekt beruht darauf, dass für Teilchen mit Spin oder Eigendrehimpuls unter bestimmten Bedingungen die Flugbahn und die Orientierung des Spins miteinander gekoppelt sind. Wirkt auf das Teilchen eine Kraft, die es aus seiner ursprünglichen Bahn lenkt, so ändert sich meist auch die Orientierung des Spins. Wenn trotz Krafteinwirkung eine Komponente des Gesamtdrehimpulses erhalten bleibt, so muss sich mit dem Eigendrehimpuls auch der Bahndrehimpuls des Teilchens ändern. Das führt dazu, dass die Bahn des Teilchens davon abhängt, wie sein Spin anfänglich ausgerichtet ist.

Sowohl Elektronen als auch Photonen haben Spin. Beim Photon kann der Spin parallel oder antiparallel zur Flugrichtung orientiert sein, während der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einer beliebig vorgegebenen Richtung ist. Die Abhängigkeit der Bahn eines Elektrons von seiner Spinorientierung hatte man in früheren Experimenten ausgenutzt, um in einer Halbleiterschicht Elektronen mit nach oben zeigendem Spin von denen mit nach unten zeigendem Spin zu trennen. Dazu wurden die Elektronen durch eine elektrische Spannung in Bewegung gebracht und zusätzlich einem elektrischen Feld ausgesetzt, das senkrecht zu den Elektronenbahnen stand. Die bewegten Elektronen verspürten daraufhin ein Magnetfeld, das sie je nach Spinorientierung in unterschiedliche Richtung ablenkte. Dieser Spin-Hall-Effekt ähnelt dem seit langem bekannten Hall-Effekt, bei dem ein Magnetfeld einen Ladungsstrom in negative Elektronen und positive „Löcher“ trennt. Mithilfe des Spin-Hall-Effekts könnte man den Spin der Elektronen für Berechnungen in einem Quantencomputer verfügbar machen, während herkömmliche Computer nur die Ladung der Elektronen nutzen.

In den letzten Jahren hatten japanische und israelisch-russische Physiker berechnet, dass auch für Lichtstrahlen der Spin-Hall-Effekt nachweisbar sein sollte. Dieser Nachweis ist jetzt gelungen, wie Onur Hosten und Paul Quiat in „Science“ berichten. Dazu haben sie einen Laserstrahl auf ein spezielles Glasprisma gerichtet und seine Ablenkung gemessen. Das Prisma war so konstruiert, dass der Strahl unter einem variablen Winkel in das Glas eindringen konnte, die Rückseite des Prismas jedoch stets in senkrechter Richtung verließ. Dadurch war sichergestellt, dass der Strahl nur beim Eintritt in das Prisma gebrochen wurde und der Spin-Hall-Effekt nur einmal auftreten konnte. Der aus dem Prisma kommende Strahl traf schließlich auf eine bewegliche Photodiode, die ihn registrierte.

Der Laserstrahl enthielt sowohl rechts als auch links polarisierte Photonen, deren Spin in Strahlrichtung bzw. entgegen gerichtet war. Mit der Photodiode konnten die Forscher feststellen, dass der gebrochene Strahl in die vom Brechungsgesetz vorhergesagte Richtung lief. Bei genauerer Untersuchung zeigte sich jedoch, dass der Strahl in zwei parallele Teilstrahlen aufgespalten worden war, die im Abstand von einigen Nanometern nebeneinander her liefen. Dabei enthielt der eine Teilstrahl nur rechts polarisierte Photonen, der andere nur links polarisierte. Das Glasprisma hatte den eindringenden Laserstrahl erwartungsgemäß zum Lot hin gebrochen. Doch aufgrund des Spin-Hall-Effekts wurden dabei die Photonen, je nach Polarisation, um einige Nanometer nach rechts oder links aus der Ebene herausgelenkt, die der einfallende und der gebrochene Strahl aufgespannten. Der Abstand der daraus resultierenden Teilstrahlen hing vom Einfallswinkel des Laserstrahls ab. Die gemessene Winkelabhängigkeit stimmte hervorragend mit der Vorhersage der Theorie überein. Wie neue Berechnungen zeigen, sollten unterschiedlich polarisierte Photonen übrigens auch in einem Gravitationsfeld entlang unterschiedlicher Bahnen laufen.

Der optische Spin-Hall-Effekt ermöglicht es, auf neuartige Weise unterschiedlich polarisierte Photonen voneinander zu trennen. Ob daraus allerdings Konkurrenz für die heute benutzten Polarisationsstrahlteiler erwachsen wird, ist fraglich. Die hohe Präzision, mit der die Forscher das Brechungsgesetz überprüft haben, eröffnet jedoch die Möglichkeit, den Brechungsindex eines Materials und seine Änderung im Nanometerbereich mit großer Genauigkeit zu messen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Onur Hosten und Paul Kwiat: Observation of the Spin Hall Effect of Light via Weak Measurements. Sciencexpress (Online-Veröffentlichung: 10. Jan. 2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1152697
• Gruppe von Paul Quiat:
  http://research.physics.uiuc.edu/QI/Photonics/index.html

Weitere Literatur:

• Masaru Onoda, Shuichi Murakami und Naoto Nagaosa: Hall Effect of Light. Phys. Rev. Lett. 93, 083901 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.083901
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0405129
• Konstantin Yu. Bliokh und Yury P. Bliokh: Conservation of Angular Momentum, Transverse Shift, and Spin Hall Effect in Reflection and Refraction of an Electromagnetic Wave Packet. Phys. Rev. Lett. 96, 073903 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.073903
  http://arxiv.org/abs/physics/0508093
• Miles Padgett, Johannes Courtial und Les Allen: Light's Orbital Angular Momentum. Physics Today 57 (5), 35 (2004).
  http://ptonline.aip.org/journals/doc/PHTOAD-ft/vol_57/iss_5/35_1.shtml
• Pierre Gosselin, Alain Bérard und Hervé Mohrbach: Spin Hall effect of photons in a static gravitational field. Phys. Rev. D 75, 084035 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.75.084035
  http://arxiv.org/abs/hep-th/0603227
• Peter Schwab: Spins auf dem Vormarsch. Physik Journal, November 2006, S. 20.
  (Link siehe oben rechts im Kasten)
• Roland Winkler und Michael Oestreich: Spinelektronik. Physik Journal, November 2004, S. 39
  (Link siehe Physik Journals Archiv: http://www.physik-journal.de)