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Tscherenkow-Strahlung von langsamen Elektronen

Inhomogenes Medium als Voraussetzung / Rechenmodell mit durchlöcherten Gläsern

Von Rainer Scharf

Das Licht kommt in Glas oder anderen durchsichtigen Substanzen wesentlich langsamer voran als im leeren Raum. Seine Geschwindigkeit beträgt nur etwa zwei Drittel der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. Deshalb können sich in einem transparenten Material Elementarteilchen schneller bewegen als das Licht. Sie erzeugen dann eine "Bugwelle" aus intensiver Lichtstrahlung, die sich mit ihnen ausbreitet. Anhand dieser Strahlung, die der russische Physiknobelpreisträger Pawel Tscherenkow 1934 entdeckt hatte, weist man heute Elementarteilchen nach. Jetzt zeigen Berechnungen, daß in durchlöcherten Gläsern Elektronen auch dann Tscherenkow-Strahlung aussenden können, wenn sie langsamer fliegen als das Licht.

Bei den durchlöcherten Gläsern handelt es sich um sogenannte photonische Kristalle. Darin sind die luftgefüllten Löcher in einem gleichförmigen, kristallähnlichen Muster angeordnet. Ihre periodische Anordnung führt dazu, daß sich Lichtwellen bestimmter Wellenlänge in einigen Richtungen nicht ausbreiten können. Ein ähnliches Verhalten zeigen die Materiewellen der Elektronen in Halbleiterkristallen. Weil photonische Kristalle eine wichtige Rolle in einem optischen Computer spielen könnten, der mit Licht statt mit Elektronen arbeitet, werden ihre Eigenschaften intensiv erforscht.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern um John Joannopoulos vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge hat nun untersucht, was geschieht, wenn Elektronen einen photonischen Kristall durchqueren. Die Forscher nahmen bei ihren Berechnungen an, daß der Kristall zahllose zylinderförmige Löcher hat, die aufragen wie die Baumstämme in einem Wald. Der Abstand der Löcher sollte ungefähr so groß wie die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes sein, dessen Ausbreitung deshalb stark beeinflußt wird. Seine Geschwindigkeit ist demnach im Kristall nur knapp halb so groß wie im leeren Raum. Die wesentlich kurzwelligeren Elektronen können den Kristall hingegen nahezu ungehindert durchqueren. Wenn sich ein Elektron wesentlich schneller durch den Kristall bewegt als das Licht, gibt es den Berechnungen zufolge Lichtstrahlung ab, die wie eine Bugwelle hinter dem Elektron herlaufen. Diese Strahlung unterscheidet sich nicht von der Tscherenkow-Strahlung, wie sie in einem homogenen durchsichtigen Medium entsteht.

Wenn sich die Elektronen langsamer als das Licht durch ein homogenes Medium bewegen, bildet sich keine optische Bugwelle, und es wird keine Tscherenkow-Strahlung abgegeben. In einem photonischen Kristall hingegen kann auch ein langsam fliegendes Elektron Licht aussenden, wie die Rechnungen zeigen, und zwar nicht nur in Flugrichtung des Elektrons, sondern in alle Richtungen ("Science", Bd. 299, S. 368). Unter bestimmten Bedingungen strahlt das Elektron sogar nur nach hinten Licht ab. Da ein Elektron auf jedem Zentimeter seines Weges durch den photonischen Kristall einige hundert Photonen abgibt, sollte sich diese ungewöhnliche Tscherenkow-Strahlung leicht beobachten lassen.

Bisher konnte man mit der Tscherenkow-Strahlung nur Teilchen nachweisen, wenn sie sich mit außerordentlich großer Geschwindigkeit in homogenen Medien bewegten. Mit Detektoren aus photonischen Kristallen ließen sich auch Partikeln beobachten, die wesentlich langsamer fliegen. Indem man die Teilchen durch die zylindrischen Löcher in den photonischen Kristallen leitete, könnte man zudem verhindern, daß sie Atome durch Zusammenstöße zu störender Strahlung anregen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 19.02.2003, Nr. 42 / Seite N2

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