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An Glasfasern gekoppelte Teilchen senden Licht gezielt nach links oder rechts. An der TU Wien
gelang das durch eine ungewöhnliche Kopplung von Polarisation und Ausbreitungsrichtung.
Wien (tu) - 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 und waren 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.“
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