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Lichtwellen mit Licht gesteuert

Photonen durch winzige Poren geschleust

Von Rainer Scharf

Durch mikroskopisch kleine Löcher kann das Licht mühelos dringen. Ist eine Öffnung jedoch kleiner als die Wellenlänge des Lichts, dann wird es auch für die Photonen zu eng, und sie müssen durch das Loch "tunneln". Dabei können sie leicht von anderen Lichtteilchen behindert werden. Wenn man die Öffnung zusätzlich mit kurzwelligem Laserlicht bestrahlt, läßt sich der Photonenstrom sogar fast völlig unterbrechen, wie amerikanische Forscher jetzt herausgefunden haben. Die Entdeckung könnte den Weg zu einem Schalter eröffnen, der Lichtwellen mit Licht steuert. Er wäre ein wichtiges Bauelement für einen künftigen Rechner, der mit Photonen statt mit Elektronen arbeitet.

Strahlt man Licht auf eine undurchlässige Schicht, die ein nanometergroßes Loch besitzt, fällt die Lichtintensität hinter der Öffnung recht schnell ab, und die Lichtwelle kann sich nicht länger ausbreiten. Das läßt sich verhindern, wenn man eine Glasfaser nahe genug an den Ausgang des Loches bringt. Die Photonen tunneln dann in die Faser, in der sich die Welle weiter ausbreitet.

Um diesen Vorgang beobachten zu können, haben Christopher Davis von der University of Maryland und seine Kollegen zunächst die Grundfläche eines Glasprismas mit einer Goldschicht überzogen, die mehrere rund 30 Nanometer große Löcher enthielt. Darauf trugen die Forscher einen durchsichtigen und besonders lichtempfindlichen Kunststoff auf. Dann strahlten sie - durch das Prisma hindurch - rotes Laserlicht auf die Goldschicht. Den Laserstrahl ließen sie möglichst flach auftreffen, damit er an der Goldschicht vollständig reflektiert wurde. Nur dort, wo die Löcher waren, konnten die Photonen hindurchtunneln und in die angrenzende transparente Kunststoffschicht gelangen. Dort regten sie die Polymermoleküle zu Schwingungen an. Mit einer Glasfaser wurden die tunnelnden Photonen aufgefangen und zu einem Detektor geleitet. Als man die Löcher zusätzlich mit grünem Laserlicht bestrahlte, kamen plötzlich wesentlich weniger rote Photonen durch die Löcher.

Für diesen Effekt haben die Forscher auch eine Erklärung. Wie zuvor die roten Photonen, so tunneln später offenbar auch die grünen Photonen durch die Löcher in den Kunststoff. Dort ändern sie jedoch die optischen Eigenschaften der Polymermoleküle. Die Resonanz, die zuvor das Tunneln der roten Photonen erleichtert hatte, bricht daraufhin zusammen. Als Folge können die roten Photonen nicht mehr durch den Kunststoff hindurch in die Glasfaser gelangen. Die grünen Photonen blockieren gewissermaßen die Löcher für die roten Lichtteilchen.

Wie Davis und seine Kollegen in der Zeitschrift "Applied Physics Letters" (Bd. 81, S. 3314) berichten, ließ sich ein Strom roter Photonen gezielt steuern. Je heller das grüne Licht nämlich war, desto weniger rote Lichtteilchen gelangten durch die Löcher. Der "Schalter" funktioniert auch dann, wenn man die Zahl der Löcher und damit den Photonenstrom erhöht. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 18.12.2002, Nr. 294 / Seite N2

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