Nanopartikel brechen die Symmetrie des Lichts

07.10.2014 - Österreich

Woher kennt ein Lichtstrahl den Unterschied zwischen links und rechts? An der TU Wien wurden winzige Teilchen nun dazu gebracht, Licht nicht wie sonst in beide Richtungen gleichermaßen abzustrahlen, sondern in einem Glasfaserkabel je nach Wunsch nach links oder nach rechts zu senden. Möglich wird das durch einen besonderen physikalischen Trick – das Ausnutzen der sogenannten „Spin-Bahn-Wechselwirkung“ des Lichts. Diese spezielle Schaltvorrichtung auf Nanometer-Größenskala könnte die Nanophotonik revolutionieren. Das Forschungsteam präsentierte die Ergebnisse nun in einer Publikation im wissenschaftlichen Journal „Science“.

Gold-Nanopartikel auf ultradünnen Glasfasern

Wenn man ein Teilchen mit Licht anregt, kann es danach seinerseits Licht aussenden. „Ein Teilchen im freien Raum wird allerdings in eine bestimmte Richtung immer genau so viel Licht strahlen wie in die Gegenrichtung“, erklärt Prof. Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der TU Wien. Seiner Forschungsgruppe gelang es nun, in einem Experiment diese Abstrahlungs-Symmetrie zu brechen - mit Nanopartikeln aus Gold, die an eine ultradünne Glasfaser angekoppelt wurden. Über die Art des einfallenden Laserlichtes lässt sich steuern, ob die Partikel ihr Licht in der Glasfaser nach links oder nach rechts schicken.

Fahrrad statt Flugzeugpropeller

Möglich wird das, weil Licht einen Eigendrehimpuls hat – den sogenannten Spin. Ähnlich wie ein Pendel, das in einer bestimmten Ebene schwingen oder sich im Kreis drehen kann, können Lichtwellen unterschiedliche Schwingungsrichtungen annehmen. Man spricht dann von polarisiertem Licht. „Eine gewöhnliche, ebene Welle hat an jedem Ort dieselbe Polarisation“, sagt Arno Rauschenbeutel. „Doch wenn sich die Intensität des Lichts lokal stark ändert, dann ergibt sich daraus auch eine lokal veränderliche Schwingung.“

Normalerweise findet die Schwingung des Lichts in einer Ebene statt, die senkrecht auf der Fortbewegungsrichtung steht. Schwingt das Licht kreisförmig, kann man sich das also vorstellen wie die Drehung eines Flugzeugpropellers. Dessen Achse entspräche dann dem Spin des Lichts und zeigt in die Richtung der Fortbewegung. Doch das Licht, das sich durch ultradünne Glasfasern bewegt, hat ganz besondere Eigenschaften. Die Intensität des Lichts ist innerhalb der Glasfaser hoch, nach außen nimmt sie aber stark ab. „Dadurch kommt dort eine Schwingungskomponente entlang der Glasfaser hinzu“, sagt Arno Rauschenbeutel. Die Ebene der kreisförmigen Schwingung kippt um 90 Grad. „Die Ausbreitungsrichtung des Lichts steht dann senkrecht zum Spin des Lichts, genau wie sich ein Fahrrad in eine Richtung bewegt, die senkrecht zur Achse der Räder steht.“

Kopplung zwischen Drehrichtung und Ausbreitungsrichtung

Betrachtet man ein Fahrrad von der Seite, bestimmt der Drehsinn der Räder – im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn – ob die Fahrt nach rechts oder links geht. Genauso ist es nun bei dieser Art von Lichtschwingung: Die Drehrichtung ist an die Ausbreitungsrichtung gekoppelt. Eine linksdrehende Lichtwelle muss sich im Glasfaserkabel in die andere Richtung ausbreiten als eine rechtsdrehende Welle. Diese Kopplung ergibt sich direkt aus der Geometrie der Glasfaser und den Gesetzen der Elektrodynamik. Man bezeichnet den Effekt als „Spin-Bahn-Wechselwirkung“.

Wenn man also ein Teilchen, das an die Glasfaser gekoppelt ist, gezielt so anregt, dass es Licht einer bestimmten Schwingungs-Drehrichtung emittiert, dann lässt sich auf diese Weise festlegen, ob das ausgesandte Licht in der Glasfaser nach links oder nach rechts laufen soll. Nachgewiesen wurde dieser Effekt nun im Experiment mit einem einzelnen Gold-Nanopartikel auf einer ultradünnen Glasfaser.

Die Durchmesser der Glasfaser war dabei etwa 250mal kleiner als der eines menschlichen Haars, der Goldpartikel war nochmals viermal kleiner. Damit sind die Durchmesser von Glasfaser und Partikel sogar geringer als die Wellenlänge des ausgesandten Lichts. „Diese Technik zur Steuerung von Licht sollte sich rasch kommerziell einsetzen lassen – das ganze Experiment passt schon jetzt in einen Schuhkarton“, sagt Arno Rauschenbeutel. „Man könnte die Methode zum Beispiel in integrierten Schaltkreisen für Licht einsetzen, die eines Tages vielleicht die heutigen elektronischen Schaltkreise ersetzen.“

Originalveröffentlichung

Jan Petersen, Jürgen Volz, Arno Rauschenbeutel; Chiral nanophotonic waveguide interface based on spin-orbit interaction of light; Science 3 October 2014; Vol. 346 no. 6205 pp. 67-71

https://www.chemie.de/news/149996/nanopartikel-brechen-die-symmetrie-des-lichts.html

Originalveröffentlichung

Jan Petersen, Jürgen Volz, Arno Rauschenbeutel; Chiral nanophotonic waveguide interface based on spin-orbit interaction of light; Science 3 October 2014; Vol. 346 no. 6205 pp. 67-71

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