Der überraschende Dreh in der Lichtbrechung

Wenn aus einem Strahl plötzlich zwei werden: Der Spin-Hall-Effekt gilt offenkundig auch bei Photonen

Von Rainer Scharf

Was geschieht, wenn Licht in eine Glasplatte eindringt, lernt man gewöhnlich schon in der Schule. Der Lichtstrahl wird gemäß dem Brechungsgesetz beim Übergang in das dichtere Medium aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und zum Einfallslot hin gebrochen. Dabei liegen der einfallende und der gebrochene Strahl in einer Ebene. Doch so ganz scheint das nicht zu stimmen, wie zwei Physiker von der University of Illinois in Urbana-Champaign jetzt beobachtet haben. Danach besteht der gebrochene Lichtstrahl offenkundig aus zwei Teilstrahlen, die einen Abstand von nur einigen Nanometern haben. Hinter diesem Phänomen steckt der sogenannte Spin-Hall-Effekt, den man schon seit einigen Jahren kennt, allerdings von Leitungselektronen in einem Halbleiter.
 

Der klassische Hall-Effekt wurde 1879 von Edwin Hall entdeckt, als dieser einen Leiter einem Magnetfeld aussetzte, in dem ein Strom floss. Der amerikanische Physiker beobachtete, dass sich senkrecht zum Feld und zur Stromrichtung eine elektrische Spannung aufbaute. Das Phänomen beruht darauf, dass das Magnetfeld auf die Elektronen eine Kraft ausübt, die die Ladungsträger aus ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung ablenkt, wodurch eine elektrische Spannung - die sogenannte Hall-Spannung - entsteht. Der Hall-Effekt wird etwa zur Bestimmung magnetischer Feldstärken und zur Untersuchung von Leitungselektronen in Metallen und Halbleitern genutzt.

In einem dünnen halbleitenden Material haben Forscher um David Awschalom von der University of California in Santa Barbara vor drei Jahren einen verwandten Mechanismus beobachtet, den Spin-Hall-Effekt. Dieser gründet nicht auf der Ladung, sondern auf dem Eigendrehimpuls der Elektronen. Aufgrund dieses Spins verhalten sich Elektronen wie winzige, schnell rotierende Kreisel, die sich sowohl links- als auch rechtsherum drehen können. Verbunden mit dem Spin ist ein magnetisches Moment, das die Teilchen zu Elementarmagneten werden lässt. Wirkt auf einen fließenden Strom ein elektrisches Feld, verspüren die Elektronen ein Magnetfeld, das auf die Elementarmagnete wirkt. Dabei werden die Teilchen je nach Drehrichtung in verschiedene Richtungen abgelenkt und gewissermaßen voneinander getrennt. Dieser Spin-Hall-Effekt könnte eine mögliche Anwendung in einem Quantencomputer finden, da er anders als klassische Rechenmaschinen die Spins der Elektronen als Informationseinheiten nutzt.

Weil Lichtteilchen ebenfalls einen Spin besitzen, liegt es nahe, dass sich auch bei ihnen ein Spin-Hall-Effekt zeigt, wenn sie einer entsprechenden Kraft ausgesetzt sind. Die Rotationsachse liegt jedoch - anders als bei Elektronen - parallel zur Flugrichtung, wobei die Drehung im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt dazu erfolgt. Man spricht dann von rechts- oder linkszirkular polarisierten Photonen. Wirkt auf ein Teilchen eine Kraft, die es wie bei der Lichtbrechung aus seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung lenkt, so ändert sich zwangsläufig auch die Orientierung des Spins. Das wiederum wirkt sich auf die Bahn des Teilchens aus. Gleiche Teilchen mit entgegengesetztem Drehsinn sollten deshalb geringfügig verschiedene Flugbahnen aufweisen, zumindest hatten das japanische, israelische und russische Physiker vor einigen Jahren berechnet. Weil der Spin-Hall-Effekt bei Photonen - wenn er existiert - aber nur äußerst schwach ausgeprägt ist, konnte er experimentell bislang nicht nachgewiesen werden. Das ist jetzt Onur Hosten und Paul Kwiat offenkundig gelungen, wie sie in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten.

Die beiden Forscher haben auf ein spezielles Glasprisma einen Laserstrahl aus links- und rechtszirkular polarisierten Photonen gerichtet. Das Prisma war so konstruiert, dass der Strahl unter jedem beliebigen Winkel in das Glas eindrang, die Rückseite des Prismas jedoch stets in senkrechter Richtung verlassen musste. Dadurch war sichergestellt, dass der Lichtstrahl nur beim Eintritt in das Prisma gebrochen wurde und somit der Spin-Hall-Effekt - falls er sich tatsächlich zeigen sollte - nur einmal auftreten konnte. Der aus dem Prisma tretende Strahl wurde von einer frei beweglichen Photodiode registriert.

Auf den ersten Blick schien sich das Brechungsgesetz zu bestätigen. Wie erwartet, wurde der Lichtstrahl im Prisma zum Einfallslot hin gebrochen. Als die Forscher den Lichtstrahl im Glas dann genauer unter die Lupe nahmen, zeigte sich, dass der Strahl in Wirklichkeit aus zwei parallelen Teilstrahlen bestand, die einen Abstand von einigen Nanometern hatten. Dabei enthielt der eine Teilstrahl nur rechtszirkular polarisierte Photonen, der andere dagegen nur linkszirkular polarisierte Lichtteilchen. Offenkundig wurden die Photonen, je nach Drehsinn oder Polarisation, aufgrund des Spin-Hall-Effekts um einige Nanometer nach rechts oder links aus der Ebene herausgelenkt, die der einfallende und der gebrochene Strahl aufspannten. Der Abstand der daraus resultierenden Teilstrahlen hing vom Einfallswinkel ab, mit dem der Laserstrahl in das Prisma eingedrungen war. Die Winkelabhängigkeit stimmte mit der Vorhersage der Theorie überein.

Der optische Spin-Hall-Effekt ermöglicht es, auf neuartige Weise unterschiedlich polarisierte Photonen voneinander zu trennen. Die sogenannten Polarisationsstrahlteiler können das zwar derzeit viel besser, weshalb ihnen keine Konkurrenz drohen dürfte. Die Präzision, mit der die Forscher das Brechungsgesetz überprüft haben, eröffnet aber die Möglichkeit, den Brechungsindex eines Materials und seine Änderung im Nanometerbereich mit großer Genauigkeit zu untersuchen. Eines steht auf jeden Fall schon fest: Mit dem Spin-Hall-Effekt hat die altbekannte Lichtbrechung doch noch eine Überraschung bereitgehalten.

Text: F.A.Z., 23.01.2008, Nr. 19 / Seite N2