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Innsbruck/Wien (öaw) - Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit
dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden
könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.
Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen.
Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung auf sehr kleine räumliche und zeitliche Dimensionen
zu fokussieren. Ingenieure bedienen sich dazu unterschiedlicher Methoden. Eine Gruppe um den Physiker Oriol Romero-Isart
vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und dem Institut für Theoretische Physik
der Universität Innsbruck präsentiert nun gemeinsam mit Ignacio Cirac und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut
für Quantenoptik in Garching bei München in der Fachzeitschrift Physical Review Letters ein neues Konzept
für die Erzeugung stark fokussierter elektromagnetischer Felder.
Überraschendes Verhalten
Fließt ein elektrischer Strom durch eine Spule, erzeugt er elektromagnetische Wellen, die sich in alle
Richtungen ausbreiten. Wird die Spule in einen hohlen Zylinder gesteckt, dessen Oberfläche die Wellen perfekt
reflektiert, dann geschieht etwas sehr Überraschendes. „Mit einem solchen Aufbau lassen sich beliebig stark
fokussierte Pulse in beinahe gleichem zeitlichen Abstand erzeugen“, sagt der Nachwuchsforscher Patrick Maurer.
„Je mehr Schwingungsmoden angeregt werden, desto stärker werden die Felder fokussiert.“ Mit Hilfe von analytischen
Berechnungen haben die Theoretiker die Physik dieses Systems so gut durchdrungen, dass sie ausgehend von den Reflexionen
der elektromagnetischen Wellen an der Innenseite des Zylinders die Stromimpulse in der Spule so konstruieren konnten,
dass eine definierte Anzahl von Moden angeregt wird. „Dank der besonderen Eigenschaften des Systems muss der Impuls
nur ganz geringfügig angepasst werden, um die Anzahl der Moden zu ändern – sprich, um das Feld stärker
zu fokussieren. Die durchschnittliche Frequenz des Impulses bleibt im Wesentlichen immer die gleiche“, erzählt
Jordi Prat-Camps, Postdoc im Team von Oriol Romero-Isart. Über den Radius des Zylinders lässt sich der
Frequenzbereich des erzeugten Feldes bestimmen, mit einem, einige Zentimeter dicken Zylinder lassen sich zum Beispiel
fokussierte Mikrowellenpulse erzeugen.
Technologische Herausforderungen
Mit numerischen Simulationen konnten die Innsbrucker Physiker ihre analytischen Berechnungen bestätigen.
Dabei zeigte sich, dass die Felder ihre besonderen Eigenschaften noch eine Zeit lang beibehalten, wenn sie den
Zylinder durch eine der beiden Öffnungen verlassen. Technologisch interessant ist das neue Konzept überall
dort, wo stark fokussierte Felder benötigt werden, zum Beispiel in der Mikroskopie, wo damit noch exaktere
Beobachtungen möglich wären. Für die Umsetzung ihres Vorschlages nennen die Theoretiker zwei Dinge,
die zu beachten sind: „Erstens muss ein Material gefunden werden, das einen möglichst hohen Frequenzbereich
optimal reflektiert“, sagt Jordi Prat-Camps. „Und dann ist eine präzise Erzeugung der von uns errechneten
Stromimpulse notwendig. Je besser man diese Anforderungen erfüllen kann, umso deutlicher wird der gewünschte
Effekt zu sehen sein.”
Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom Europäischen Forschungsfonds ERC und dem österreichischen
Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft.
Publikation: Ultrafocused Electromagnetic
Field Pulses with a Hollow Cylindrical Waveguide P. Maurer, J. Prat-Camps, J. I. Cirac, T. W. Hänsch, O. Romero-Isart.
Phys. Rev. Lett. 119, 043904 DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.043904 (Preprint: https://arxiv.org/abs/1705.03231)
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