Ein Käfig für Licht

Spiegel aus fest-flüssigem Komposit-Material erlaubt es, Licht fast verlustfrei in einem Kristall einzusperren – mögliche Anwendungen bei Lasern oder biochemischen Sensoren
Licht bleibt bei bestimmten Wellenlängen im Kristall eingeschlossen. Rot und blau kennzeichnet die Stärke des elektrischen Feldes.
Licht bleibt bei bestimmten Wellenlängen im Kristall eingeschlossen. Rot und blau kennzeichnet die Stärke des elektrischen Feldes.
© Chia Wei Hsu et al.
Cambridge (USA) - Bereits seit mehr als zweitausend Jahren benutzt die Menschheit Spiegel. Meist bestehen sie aus Glas mit einer dünnen, reflektierenden Metallschicht. Bei solchen Spiegeln treten aber stets kleine Verluste auf. Wissenschaftlern aus den USA ist es nun gelungen, ein speziell strukturiertes Material zu entwerfen, das Licht fast perfekt zurückwirft. Wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“ schreiben, beruht ihre Methode auf einer dünnen Schicht Siliziumnitrid, in die mikroskopisch kleine Löcher gebohrt sind. Durch diese Löcher kann zwar prinzipiell Licht austreten. Aber die Löcher sind so angeordnet, dass verschiedene austretende Lichtwellen sich außerhalb des Materials gegenseitig auslöschen würden. Dadurch bleiben Lichtwellen bestimmter Frequenzen im Innern eingesperrt. Die Forscher haben ihr Verfahren auch theoretisch untermauert und herausgefunden, dass es nicht nur auf elektromagnetische Wellen wie Licht anwendbar ist.

„Diese Methode lässt sich auch auf Elektronen oder auf mechanische Wellen übertragen“, beschreibt Erstautor Chia Wei Hsu vom Massachusetts Institute of Technology das neue Verfahren. Von besonderem Interesse ist das Verfahren aber vor allem für optische Anwendungen. Insbesondere zum Bau von Lasern sind möglichst perfekt reflektierende Oberflächen wichtig. Laserstrahlen entstehen in einem sogenannten Resonator, in dem Licht bestimmter Frequenz hin- und hergeworfen wird. Je höher die Güte der reflektierenden Spiegeloberflächen auf den beiden gegenüberliegenden Seiten ist, desto höhere Leistung kann ein Laser erzielen. Das von den Forschern entwickelte Material eignet sich im Prinzip hervorragend für solche Anwendungen. Die Forscher mussten dazu aber nicht nur die Löcher im Material exakt an ihre Bedürfnisse anpassen, sondern auch eine passende Flüssigkeit finden, die das Innere des Kristalls ausfüllt. Ihr Spiegel ist somit ein Fest-Flüssig-Spiegel.

Der neuartige Spiegel könnte sich aber auch für Sensoren eignen, die spezielle biologische oder chemische Stoffe detektieren. Wie die Forscher in zahlreichen Tests ermitteln konnten, verhält sich der neuartige Spiegel gutmütig und behält seine gewünschten Eigenschaften auch bei kleinen Abweichungen im Material bei. Douglas Stone von der Universität Yale, der nicht an der Studie mitgewirkt hat, zeigt sich von dem neuen Verfahren jedenfalls begeistert: „Dieses System kann Licht einfangen und mit Hilfe optischer Interferenz kontrolliert weiterleiten, und zwar mit erstaunlicher Flexibilität im Aufbau.“

© Wissenschaft aktuell


 

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