Unerwartetes Lichtverhalten kann genutzt werden, um optische Kommunikationen und Sensoren zu verbessern

Leuchten Sie mit einer Taschenlampe in ein trübes Teichwasser und der Strahl dringt nicht sehr weit ein. Absorption und Streuung verringern schnell die Intensität des Lichtstrahls, der einen festen Prozentsatz an Energie pro zurückgelegter Distanzeinheit verliert. Dieser Abfall – bekannt als exponentieller Zerfall – gilt für Licht, das durch jede Flüssigkeit oder jeden Feststoff wandert, der elektromagnetische Energie leicht absorbiert und streut.

Aber das ist nicht das, was Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) herausfanden, als sie ein Miniatur-Lichtstreuungssystem untersuchten – eine ultradünne Schicht aus Siliziumnitrid, die auf einem Chip hergestellt und mit einer Reihe von eng beieinander liegenden, periodischen Rillen geätzt wurde. Die Rillen erzeugen ein Gitter – ein Gerät, das verschiedene Lichtfarben in verschiedenen Winkeln streut –, während das Siliziumnitrid das einfallende Licht so weit wie möglich entlang der 0,2-Zentimeter-Länge des Gitters begrenzt und leitet.

Das Gitter streut Licht – das meiste davon nach oben, senkrecht zum Gerät – ähnlich wie Teichwasser. Und in den meisten ihrer Experimente beobachteten die NIST-Wissenschaftler genau das. Die Intensität des Lichts wurde exponentiell gedämpft und konnte nur die ersten Rillen des Gitters beleuchten.

Als das NIST-Team jedoch die Breite der Rillen so anpasste, dass sie fast gleich dem Abstand zwischen ihnen waren, fanden die Wissenschaftler etwas Überraschendes. Wenn sie eine bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts sorgfältig auswählten, nahm die Intensität dieses Lichts viel langsamer ab, während es sich entlang des Gitters bewegte. Die Intensität nahm linear mit der zurückgelegten Distanz statt exponentiell ab.

Ebenso fasziniert waren die Wissenschaftler von einer Eigenschaft des Infrarotlichts, das vom Gitter nach oben gestreut wird. Immer wenn sich die Lichtintensität entlang des Gitters von einer exponentiellen zu einer linearen Abnahme verschob, bildete das nach oben gestreute Licht einen breiten Strahl, der durchgehend die gleiche Intensität aufwies. Ein breiter Lichtstrahl mit gleichmäßiger Intensität ist ein äußerst wünschenswertes Werkzeug für viele Experimente mit Atomwolken.

Der Elektro- und Computeringenieur Sangsik Kim hatte so etwas noch nie gesehen. Als er das seltsame Verhalten in Simulationen, die er im Frühjahr 2017 am NIST durchführte, zum ersten Mal beobachtete, befürchteten er und der erfahrene NIST-Wissenschaftler Vladimir Aksyuk, dass er einen Fehler gemacht hatte. Aber zwei Wochen später sah Kim den gleichen Effekt in Laborexperimenten mit echten Beugungsgittern.

Wenn sich die Wellenlänge auch nur geringfügig verschob oder sich der Abstand zwischen den Rillen nur geringfügig änderte, kehrte das System zum exponentiellen Zerfall zurück.

Das NIST-Team brauchte mehrere Jahre, um eine Theorie zu entwickeln, die das seltsame Phänomen erklären könnte. Die Forscher fanden heraus, dass es in dem komplexen Zusammenspiel zwischen der Struktur des Gitters, dem nach vorne laufenden Licht, dem von den Rillen im Gitter nach hinten gestreuten Licht und dem nach oben gestreuten Licht liegt. An einem kritischen Punkt, der als Ausnahmepunkt bekannt ist, verschwören sich all diese Faktoren, um den Verlust an Lichtenergie dramatisch zu verändern und ihn von einem exponentiellen zu einem linearen Abfall zu ändern.

Die Forscher stellten überrascht fest, dass das Phänomen, das sie mit Infrarotlicht beobachteten, eine universelle Eigenschaft jeder Art von Welle ist, die durch eine verlustbehaftete periodische Struktur wandert, unabhängig davon, ob es sich um Schall-, Infrarot- oder Radiowellen handelt.

Der Befund könnte es Forschern ermöglichen, Lichtstrahlen von einem Chip-basierten Gerät zu einem anderen zu übertragen, ohne so viel Energie zu verlieren, was ein Segen für die optische Kommunikation sein könnte. Der breite, gleichmäßige Strahl, der durch die außergewöhnliche Spitze geformt wird, ist auch ideal für die Untersuchung einer Atomwolke. Das Licht bringt die Atome dazu, von einem Energieniveau zum anderen zu springen; Seine Breite und gleichmäßige Intensität ermöglichen es dem Strahl, die sich schnell bewegenden Atome über einen längeren Zeitraum abzufragen. Die genaue Messung der Lichtfrequenz, die bei solchen Übergängen der Atome emittiert wird, ist ein wichtiger Schritt beim Bau hochgenauer Atomuhren und der Schaffung präziser Navigationssysteme auf der Grundlage von eingeschlossenen Atomdämpfen.

Ganz allgemein, sagte Aksyuk, ermöglicht der gleichmäßige Lichtstrahl die Integration tragbarer, chipbasierter photonischer Geräte in groß angelegte optische Experimente, wodurch deren Größe und Komplexität reduziert werden. Sobald der gleichmäßige Lichtstrahl beispielsweise einen Atomdampf berührt, können die Informationen an den photonischen Chip zurückgesendet und dort verarbeitet werden.

Noch eine weitere potentielle Anwendung ist die Umweltüberwachung. Da die Umwandlung von exponentieller zu linearer Absorption plötzlich und äußerst empfindlich für die ausgewählte Lichtwellenlänge ist, könnte sie die Grundlage eines hochpräzisen Detektors für Schadstoffspuren bilden. Wenn ein Schadstoff an der Oberfläche die Wellenlänge des Lichts im Gitter ändert, verschwindet der Ausnahmepunkt abrupt und die Lichtintensität geht schnell von linearem zu exponentiellem Abfall über, sagte Aksyuk.

Die Forscher, darunter Aksyuk und Kim, die jetzt an der Texas Tech University in Lubbock sind, berichteten online in der Ausgabe vom 21. April über ihre Ergebnisse Natur Nanotechnologie.