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Licht blockiert Licht

Von Rainer Scharf

Sichtbares Licht kann sich durch Löcher quetschen, die viel kleiner sind als seine Wellenlänge. Dazu müssen die Photonen durch die engen Öffnungen "tunneln". Der Photonenstrom lässt sich blockieren, wenn man die Löcher zusätzlich mit kurzwelligem Laserlicht bestrahlt, wie amerikanische Forscher jetzt herausgefunden haben.

Christopher Davis von der University of Maryland und seine Kollegen beherrschen die Kunst, sichtbares Licht durch nanometergroße Löcher zu leiten, die in lichtundurchlässigen Schichten vorhanden sind. Normalerweise fällt die Lichtintensität hinter solch einem Loch sehr schnell ab und die Lichtwelle kann sich nicht ausbreiten. Wenn man aber eine Glasfaser nahe genug von hinten an das Loch bringt, können die Photonen in die Faser hineintunneln und die Welle breitet sich in ihr aus.

Um diesen äußerst delikaten Vorgang beobachten zu können, haben die Forscher die Grundfläche eines Glasprismas mit einer Goldschicht überzogen, die mehrere rund 50 Nanometer große Löcher enthielt. Auf diese Schicht trugen die Forscher einen durchsichtigen und besonders lichtempfindlichen Kunststoff auf. Dann bestrahlten sie die Goldschicht durch das Prisma hindurch mit rotem Laserlicht. Dabei ließen sie den Laserstrahl so flach auf die Goldschicht treffen, dass er nach den Gesetzen der Optik totalreflektiert wurde.

Nur dort wo die Goldschicht Löcher hatte, wurden die Photonen nicht totalreflektiert sondern konnten hindurchtunneln. Dabei wurden sie von den periodischen Bewegungen der Elektronen in der Goldschicht unterstützt, die im Takt der Lichtwelle schwangen. So gelangten die Photonen in die Kunststoffschicht und regten deren Moleküle zu Schwingungen an. Mit der Spitze einer Glasfaser, die über einem der Löcher positioniert war, wurden die tunnelnden Photonen aufgenommen und zu einem Detektor geleitet. Damit ließ sich zweifelsfrei nachweisen, dass tatsächlich "rote" Photonen durch die Löcher gelangt waren.

Wurden die Löcher jedoch zusätzlich mit grünem Laserlicht bestrahlt, so kamen wesentlich weniger rote Photonen durch die Löcher. Davis und seine Kollegen geben dafür folgende Erklärung. Wie zuvor die roten Photonen, so tunnelten jetzt die grünen Photonen durch die Löcher hindurch und gelangten in den Kunststoff. Dort änderten sie seine optischen Eigenschaften. Daraufhin konnten die roten Photonen die Kunststoffmoleküle nicht mehr zum Schwingen anregen. Die Resonanz, die zuvor das Tunneln der roten Photonen erleichtert hatte, war zusammengebrochen, und die roten Photonen konnten nicht mehr durch den Kunststoff hindurch in die Glasfaser gelangen.

Die grünen Photonen hatten also die Löcher für die roten blockiert. Auf diese Weise ließ sich der Strom der roten Photonen mithilfe des grünen Laserlichts steuern: Je heller das grüne Licht war, umso weniger rote Lichtteilchen gelangten durch die Löcher. In einem nachfolgenden Experiment haben die Forscher mit einem Ionenstrahl viele gleichmäßig angeordnete Löcher in die Goldschicht geschossen, sodass wesentlich stärkere Photonenströme durch die Schicht gelangen konnten. Auch in diesem Fall ließen sich die Löcher für die roten Photonen "dichtmachen", indem man sie mit grünem Laserlicht bestrahlte. Ein solcher Schalter, der Licht mit Licht steuert, wäre ein wichtiges Bauelement für einen optischen Computer, der mit Photonen statt Elektronen arbeiten würde. 

Quelle
I. I. Smolyaninov et al., Light-controlled photon tunneling, Applied Physics Letters 81, 3314 (2002)
http://dx.doi.org/10.1063/1.1518778
Preprint: http://lanl.arxiv.org/abs/cond-mat/0205160

I. I. Smolyaninov et al., Optical control of photon tunneling through an array of nanometer scale cylindrical channels.
http://lanl.arxiv.org/abs/cond-mat/0207450

Forscher:
Christopher C. Davis, E-Mail: davis@eng.umd.edu
http://www.enee.umd.edu/~davis/

pro-physik.de v. 30.10.2002

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