Stehende Welle aus Licht sichtbar gemacht

Faszinierendes Phänomen: US-Physiker haben erstmals eine stehende Welle aus Licht direkt beobachtet – ohne Mikroskop oder andere Vergrößerungen. Dies gelang in einem Metamaterial mit Brechungsindex Null. Dieses Material manipuliert das Licht so, dass seine Phase konstant und seine Wellenlänge unendlich dehnbar wird. Für die Quanten-Kommunikation und optische Chips hätte der Wellenleiter aus diesem Metamaterial vielversprechende Vorteile, wie die Forscher erklären.

Metamaterialien sind Stoffe, die besonders Brechungseigenschaften haben. Sie können beispielsweise das Licht wie eine Tarnkappe umlenken, es aber auch kurzzeitig stoppen oder seine Phasengeschwindigkeit unendlich schnell machen. Letzteres ist Forschern der Harvard Universität im Jahr 2015 gelungen.

Dünn wie ein Draht statt klobig-prismenförmig

Jetzt haben diese Wissenschaftler ihre Technik noch weiter verfeinert. Sie konstruierten aus ihrem Metamaterial einen Wellenleiter, der nicht mehr prismenförmig ist wie sein Vorgänger, sondern eher einem dünnen Draht oder Lichtleiter ähnelt. „Das ist ein wichtiger Schritt, weil wir ihn so direkt in konventionelle optische Geräte einbauen können“, erklärt Erstautor Philip Camayd-Muñoz. „Das ergänzt die Silizium-Photonik um ein wichtiges Tool.“

Der neue Wellenleiter besteht aus einem Metamaterial, dessen Brechungsindex gleich Null ist. Das Licht wird in diesem Material so manipuliert, dass eine Welle mit konstanter, unendlicher Phase entsteht. Das erleichtert die Synchronisation solcher Wellen, weil die Wellenberge und Täler dieses Lichts nur noch in der Zeit oszillieren, nicht aber im Raum. Gleichzeitig verliert das Licht bei dieser Manipulation keine Energie, wie die Forscher erklären.

Eine stehende Welle aus Licht…

Spannend aber ist, was die Forscher bei ihren Tests des Metamaterials beobachteten. Denn normalerweise lässt sich an einem solchen linearen Wellenleiter ohne Prismen nicht nachweisen, ob der Brechungsindex tatsächlich bei Null liegt. Doch durch einen Trick gelang es den Wissenschaftlern, ein Phänomen zu erzeugen, dass dies beweist – und das normalweise nicht beobachtbar ist: eine stehende Welle aus Licht.

Echtzeit-Aufnahme einer stehenden Welle aus Licht, aufgenomen von einer Infrarotkamera in einem 15 Mikrometer langen Metamaterial-Wellenleiter. © Harvard SEAS

Dafür schickten sie zwei Lichtstrahlen aus entgegengesetzter Richtung in das Metamaterial und erzeugten so eine stehende Welle – einen Lichtstrahl mit konstanter, stillstehender Phase. Der Clou dabei: Weil das Metamaterial die Phasen dieser Lichtwellen unendlich weit auseinander ziehen kann, lässt sich das typische Hell-Dunkel-Muster so weit dehnen, dass es mit einem gewöhnlichen Mikroskop sichtbar wird.

…zum ersten Mal direkt beobachtet

Zum ersten Mal ist es damit gelungen, eine stehende Welle aus Licht direkt zu beobachten, wie die Forscher erklären. Deutlich war der Wechsel von hellen und dunklen Abschnitten zu erkennen – je nachdem, wo sich die Phasen der beiden Lichtwellen verstärkten oder auslöschten. „Das war eine atemberaubende Demonstration eines Brechungsindexes von Null“, sagt Koautor Orad Reshef.

Doch ihr Metamaterial-Wellenleiter hat auch ganz praktische Anwendungen. Weil er die Wellenlänge des Lichts ins Unendliche dehnen kann, erhöht er auch die Reichweite der Quantenkommunikation, wie die Forscher erklären. „In Zukunft könnten Quantencomputer auf Netzwerken angeregter Atome basieren, die mittels Photonen kommunizieren“, so Camayd-Muñoz. „Die Reichweite für diese Wechselwirkungen entspricht dabei etwa der Wellenlänge des Lichts. Indem wir nun die Wellenlänge dehnen, können wir so auch Langstrecken-Interaktionen von Quantensystemen ermöglichen.“

Die Forscher haben ihren neuen Wellenleiter bereits zum Patent angemeldet und sind dabei, mögliche kommerzielle Anwendungen zu erforschen. (ACS Photonics, 2017)

(Harvard University, 10.10.2017 – NPO)