Spin kontrolliert Ausbreitung von Lichtwellen

An den Grenzflächen von Metallen treten mitunter überraschende Quantenphänomene auf. So können Elektronen auf Oberflächen elektrischen Strom leiten, werden im Innern des Materials – topologischer Isolator genannt – jedoch blockiert. Physiker aus Japan fanden nun ein ähnliches Verhalten für Lichtteilchen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, liegt der Grund für diese Parallele im Eigendrehimpuls der Teilchen, dem Spin.

Quader, auf dem mit Hilfe von Pfeilen in entgegen gesetzte Richtungen jeweils die Flugrichtung des Photons, dargestellt als gelber Ball, in Abhängigkeit des Spins angedeutet werden.
Quanten-Spin-Hall-Effekt bei Photonen

„Dieses Ergebnis vertieft unser Verständnis der klassischen Theorien für Lichtwellen und könnte zu neuen optischen Modulen führen“, sagt Konstantin Y. Bliokh vom Center for Emergent Matter Science am japanischen RIKEN-Forschungszentrum in Saitama. Zusammen mit seinen Kollegen untersuchte er, wie sich Lichtteilchen an der Grenzfläche zwischen Metall und Vakuum verhielten. Wie erwartet, konnten die Photonen das Material nicht durchdringen, es war folglich völlig undurchsichtig. Doch an der Oberfläche breitete sich das Licht in langsam abklingenden Wellen aus und versetzte dabei Elektronen im Material in Schwingungen. Physiker nennen diese Schwingungswellen auch Oberflächenplasmonen.

Eine genaue Analyse dieser elektromagnetischen Oberflächenwellen zeigte Bliokh und Kollegen nun ein überraschendes Verhalten: Die Ausbreitungsrichtung dieser Wellen hing direkt vom Spin der einfallenden Lichtteilchen ab. Wechselte der Spin seine Ausrichtung, änderten auch die Oberflächenwellen ihre Richtung. Verantwortlich für dieses Verhalten war der Quanten-Spin-Hall-Effekt, der auf der Quantenebene eine Wechselwirkung zwischen dem Spin eines Teilchens und den Elektronen in einem Festkörper beschreibt.

Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit den bereits vor 150 Jahren von James Clark Maxwell aufgestellten Gleichungen zur Beschreibung von elektromagnetischen Wellen. Aber diese Arbeit erweitert nicht nur das physikalische Verständnis zur Ausbreitung von Lichtwellen an Grenzflächen. Der enge Zusammenhang zwischen Spin eines Lichtteilchens und Oberflächenwelle könnte auch zur Kontrolle von photonischen Schaltkreisen genutzt werden. Diese werden derzeit weltweit entwickelt, um schneller zu arbeiten als mit herkömmlichen elektronischen Prozessoren möglich ist.