Regenbogen in der Falle

Mithilfe von Metamaterialien wollen Forscher Licht verschiedener Wellenlängen stoppen. Aufgebaut aus hochsymmetrischen Strukturen, können solche Stoffe theoretisch Lichtwellen geschickt umlenken, so dass man daraus Tarnkappen oder hauchdünne Linsen herstellen kann.

gefangener Regenbogen
gefangener Regenbogen

Guildford (Großbritannien) - Erste Laborversuche -- allerdings mit Mikrowellen -- verliefen bereits erfolgreich. Britische Wissenschaftler sehen nun ein weiteres Anwendungsgebiet: Mit Metamaterialien wollen sie auch Licht verschiedener Wellenlängen in allen Farben des Regenbogens abbremsen und sogar stoppen. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, könnten solche optischen Fallen in Zukunft für photonische Chips und Datenspeicher für Quantencomputer genutzt werden.

Ortwin Hess und seine Kollegen von der University of Surrey in Guildford und der University of Salford simulierten im Computer, wie sich Lichtwellen verschiedener Farben in solchen Metamaterialien verhalten. Ihr Ergebnis: Sind sie geschickt geschichtet und dünn genug, kann eine Lichtwelle quasi gestoppt und so gefangen werden. Grundlage ist eine Heterostruktur mit einem Kern mit negativem Brechnungsindex.

Wechselt eine Lichtwelle zwischen zwei Lichtleitern mit positivem und negativem Brechungsindex, wird die so genannte Gruppengeschwindigkeit des Wellenpakets beeinflusst. Im Idealfall kann diese sogar ganz gestoppt werden. Die Simulationen zeigten nun, dass es mit Wellenleitern in Mikrometer-Dimensionen zu dem gewünschten Abbremsen des Lichts kommt. Von der jeweiligen Dicke der Materialien hängt es ab, für welchen Wellenlängenbereich des Lichts dieser Effekt erzielt wird. Theoretisch lässt sich der Aufbau so anpassen, dass Lichtwellen aus dem gesamten sichtbaren Spektralbereich, von blau bis rot, in jeweils einer anderen Zone gestoppt werden.

Diese Simulationen sind ein erster Schritt, solche Lichtfallen auch experimentell umzusetzen. Sollte dies gelingen, könnten Lichtwellen erstmals mit einem greifbaren Festkörper bei Raumtemperatur gestoppt werden. Bisher erreichen Physiker dieses Ziel der so genannten elektromagnetisch-induzierten Transparenz mit Gasen aus extrem tiefgekühlten Atomen. "Unsere Ergebnisse verknüpfen zwei wichtige Wissenschaftsbereiche -- Metamaterialien und gebremstes Licht", schreiben Hess und Kollegen. "Eine kombinierte Forschung könnte zu Anwendungen bei der optischen Datenverarbeitung und –speicherung oder für die Realisierung von quantenoptischen Speichern führen."