Physiker demonstrieren neuartigen Mechanismus, der verhindern kann, dass sich Lichtwellen frei ausbreiten

Physiker aus der Gruppe von Professor Alexander Szameit (Universität Rostock) haben in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Mordechai Segev (Technion, Israel Institute of Technology) einen neuartigen Mechanismus demonstriert, der verhindern kann, dass sich Lichtwellen frei ausbreiten. Bisher galt der zugrunde liegende physikalische Effekt als viel zu schwach, um die Wellenausbreitung vollständig aufzuhalten. In ihren jüngsten Experimenten beobachteten die Physiker, dass eine solche Lichtlokalisierung dennoch möglich ist, was die unheimliche Empfindlichkeit der Wellenausbreitung über einen weiten Bereich räumlicher Längenskalen demonstriert. Ihre Entdeckung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

1958 überraschte Phil Anderson die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft mit der Vorhersage, dass ein elektrischer Leiter (wie Kupfer) sich abrupt in einen Isolator (wie Glas) verwandeln kann, wenn die atomare Kristallordnung ausreichend erschüttert wird. Im Fachjargon der Physiker kann eine solche „Unordnung“ die ansonsten frei beweglichen Elektronen festnageln und so erhebliche elektrische Ströme durch das Material verhindern. Dieses als „Anderson-Lokalisierung“ bekannte physikalische Phänomen lässt sich nur durch die moderne Quantenmechanik erklären, in der Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen behandelt werden. Wie sich herausstellt, gilt dieser Effekt, für den Phil Anderson 1977 mit einem Anteil des Nobelpreises für Physik ausgezeichnet wurde, auch für klassische Umgebungen: Unordnung kann ebenfalls die Ausbreitung von Schallwellen oder sogar Lichtstrahlen unterdrücken.

Die Forschung der Physikprofessoren Alexander Szameit und Mordechai Segev beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Licht und seiner Wechselwirkung mit Materie. Kürzlich machte das Team von Professor Segev eine erstaunliche Entdeckung: Lichtwellen können sogar eine Anderson-Lokalisation hervorrufen, wenn die Störung praktisch an ihnen liegt. Diese neuartige Unordnung geht weit über die ursprünglichen Überlegungen von Phil Anderson hinaus und enthält ausschließlich räumlich periodische Verteilungen mit bestimmten Wellenlängen.

„Naiverweise würde man erwarten, dass nur solche Wellen, deren räumliche Verteilung irgendwie mit den Längenskalen der Störung übereinstimmt, davon betroffen sein können und möglicherweise eine Anderson-Lokalisierung erfahren“, erklärt Sebastian Weidemann, der promoviert ist. Student am Institut für Physik in der Gruppe von Professor Szameit.

„Andere Wellen sollten sich im Wesentlichen so ausbreiten, als gäbe es überhaupt keine Unordnung“, fährt Dr. Mark Kremer fort, der ebenfalls aus der Gruppe von Professor Szameit stammt.

Im Gegensatz dazu legten die jüngsten theoretischen Arbeiten des Technion-Teams nahe, dass die Ausbreitung von Wellen selbst durch eine solche „unsichtbare Störung“ dramatisch beeinflusst werden könnte.

„Wenn Lichtwellen mehrmals mit der unsichtbaren Störung interagieren können, kann sich ein überraschend starker Effekt aufbauen und die gesamte Lichtausbreitung stoppen“, sagt Ph.D. Student Alex Dikopoltsev aus der Gruppe von Professor Segev, wie er den Effekt beschreibt.

In enger Zusammenarbeit demonstrieren die Physiker aus Rostock und Israel erstmals den neuen Ortungsmechanismus. „Dafür haben wir aus kilometerlangen Glasfasern künstliche ungeordnete Materialien konstruiert. Unsere optischen Netzwerke ahmen in komplizierter Anordnung die räumliche Ausbreitung von Elektronen in ungeordneten Materialien nach. Dadurch konnten wir direkt beobachten, wie praktisch unsichtbare Strukturen Lichtwellen erfolgreich umfangen können “, erklärt Sebastian Weidemann, der die Experimente zusammen mit Dr. Mark Kremer durchgeführt hat.

Die Entdeckungen stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Grundlagenforschung zur Ausbreitung von Wellen in ungeordneten Medien dar und ebnen möglicherweise den Weg zu einer neuen Generation synthetischer Materialien, die Unordnung nutzen, um Ströme selektiv zu unterdrücken; ob Licht, Schall oder gar Elektronen.