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Eine perfekte Falle für Licht

An der TU Wien und der Hebräischen Universität Jerusalem wurde eine „Lichtfalle“ entwickelt, in der ein Lichtstrahl sich selbst am Entkommen hindert. Dadurch lässt sich Licht perfekt absorbieren.

graphische Darstellung des Versuchsaufbaus

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Die "Lichtfalle", bestehend aus einem teildurchlässigen Spiegel, einem dünnen, schwachen Absorber, zwei Sammellinsen und einem totalreflektierenden Spiegel. Normalerweise würde der einfallende Lichtstrahl zum größten Teil reflektiert werden. Aufgrund genau berechneter Interferenzeffekte überlagert sich aber der einfallende Lichtstrahl mit dem zwischen den Spiegeln zurückgeleiteten Lichtstrahl, so dass der reflektierte Lichtstrahl letztlich völlig ausgelöscht wird. Die Energie des Lichts wandert vollständig in den dünnen, eigentlich schwachen Absorber.

Die optischen Elemente des Experiments im Labor

© Omri Haim, The Hebrew University of Jerusalem

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Foto des experimentellen Setups an der Hebräischen Universität Jerusalem

Egal ob bei der Photosynthese oder in einer Photovoltaik-Anlage: Wenn man Licht effizient nutzen will, muss man es möglichst vollständig absorbieren. Schwierig ist das aber, wenn die Absorption in einer dünnen Materialschicht stattfinden soll, die normalerweise einen Großteil des Lichts durchlässt.

Nun fanden Forschungsteams der TU Wien und der Hebräischen Universität Jerusalem gemeinsam einen überraschenden Trick, mit dem man auch in dünnsten Schichten einen Lichtstrahl vollständig absorbieren kann: Rund um die dünne Schicht baut man mit Spiegeln und Linsen eine „Lichtfalle“, in der man den Lichtstrahl im Kreis lenkt und am Ende mit sich selbst überlagert – und zwar exakt so, dass er sich selbst blockiert und das System nicht mehr verlassen kann. Somit bleibt dem Licht nichts anderes übrig, als von der dünnen Schicht absorbiert zu werden – einen anderen Ausweg gibt es nicht. Diese Absorptions-Verstärker-Methode, die nun im Fachjournal „Science“ präsentiert wurde, ist das Resultat einer erfolgreichen Zusammenarbeit zweier Teams: Die Idee wurde von Prof. Ori Katz (Hebräische Universität Jerusalem) vorgeschlagen und mit Prof. Stefan Rotter (TU Wien) entwickelt, das Experiment wurde in Jerusalem durchgeführt und die theoretische Berechnungen kamen aus Wien.

Dünne Schichten sind lichtdurchlässig

„Licht zu absorbieren ist einfach, wenn es auf ein massives Objekt trifft“, sagt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Ein dicker schwarzer Wollpullover kann leicht Licht absorbieren. Aber bei vielen technischen Anwendungen hat man nur eine dünne Materialschicht zur Verfügung und möchte, dass das Licht genau in dieser Schicht absorbiert wird.“

Schon bisher gab es Versuche, die Absorption von Materialien zu verbessern: Man kann das Material etwa zwischen zwei Spiegeln platzieren. Das Licht wird zwischen den beiden Spiegeln hin und her reflektiert, durchquert dabei jedes Mal das Material und hat somit eine größere Chance, absorbiert zu werden. Allerdings dürfen die Spiegel nicht perfekt sein – einer von ihnen muss teilweise durchlässig sein, sonst kann das Licht gar nicht in den Bereich zwischen den beiden Spiegel eindringen. Das bedeutet aber auch, dass immer, wenn das Licht auf diesen teildurchlässigen Spiegel trifft, ein Teil des Lichts verlorengeht.

Das Licht blockiert sich selbst

Um genau das zu verhindern, kann man nun die Welleneigenschaften des Lichts auf ausgeklügelte Weise nutzen. „Durch unsere Methode können wir alle Reflexionen durch Welleninterferenz auslöschen“, sagt Prof. Ori Katz (Hebräische Universität Jerusalem). Helmut Hörner (TU Wien), der seine Diplomarbeit diesem Thema widmete, erklärt: „Auch bei unserem Verfahren fällt das Licht zunächst auf einen teildurchlässigen Spiegel. Wenn man einfach nur einen Laserstrahl auf diesen Spiegel schickt, wird er in zwei Teile aufgespalten: Der größere Teil wird reflektiert, ein kleiner Teil durchdringt den Spiegel.“

Dieser Anteil des Lichtstrahls, der den Spiegel durchdringt, wird nun durch die absorbierende Materialschicht geschickt und dann mit Linsen und einem weiteren Spiegel wieder zum teildurchlässigen Spiegel zurückgeleitet. „Das Entscheidende daran ist: Man justiert die Länge dieses Weges und die Position der optischen Elemente so, dass der zurückgeleitete Lichtstrahl und dessen Mehrfachreflexionen, die zwischen den Spiegeln hin und her laufen, den direkt am ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahl exakt auslöscht“, erklären Yevgeny Slobodkin und Gil Weinberg, die beiden Doktoratsstudenten, die das Experiment in Jerusalem aufgebaut haben.

Die beiden Teilstrahlen überlagern sich so, dass sich das Licht gewissermaßen selbst blockiert: Obwohl der teildurchlässige Spiegel alleine eigentlich einen Großteil des Lichts reflektieren würde, wird durch den anderen Strahl genau diese Reflexion unmöglich gemacht. Der zunächst teildurchlässige Spiegel wird für den einfallenden Laserstrahl vollständig durchlässig. So entsteht eine Einbahnstraße für das Licht: Der Lichtstrahl kann zwar in das System eindringen, kann dann aber wegen der Überlagerung des reflektierten und des durchs System im Kreis geführten Anteils nicht mehr entkommen. So bleibt dem Licht nichts anderes übrig, als absorbiert zu werden – der gesamte Laserstrahl wird von einer dünnen Schicht verschluckt, die sonst einen Großteil des Strahls durchlassen würde.

Ein robustes Phänomen

„Das System muss genau auf die Wellenlänge abgestimmt werden, die man absorbieren möchte“, sagt Stefan Rotter. „Aber abgesehen davon gibt es keine Vorgaben. Der Laserstrahl muss keine bestimmte Form haben, er kann an manchen Stellen intensiver sein als an anderen – eine fast perfekte Absorption wird immer erreicht.“

Nicht einmal Luftturbulenzen und Temperaturschwankungen können dem Mechanismus etwas anhaben, wie man bei den Experimenten zeigen konnte, die an der Hebräischen Universität Jerusalem durchgeführt wurden. Das beweist, dass es sich um einen robusten Effekt handelt, der eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten verspricht – so könnte der vorgestellte Mechanismus gut dafür geeignet sein, selbst Lichtsignale, die bei der Übertragung durch die Erdatmosphäre verzerrt werden, perfekt einzufangen. Auch um Lichtwellen von schwachen Lichtquellen (etwa weit entfernten Sternen) optimal in einen Detektor einzuspeisen, könnte der neue Ansatz von sehr praktischem Nutzen sein.

Originalpublikation

Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts, Science 377, 6609 (2022). DOI: 10.1126/science.abq8103, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Rückfragehinweis

Prof. Stefan Rotter
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
+43-1-58801-13618
stefan.rotter@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
+43 1 58801 41027
florian.aigner@tuwien.ac.at