Raum-Zeit-Symmetrie macht optische Systeme unsichtbar
Künstlerische Illustration zur einseitigen Unsichtbarkeit: Kommt ein Lichtstrahl von links, so sind die Reflektionen an den rot-blauen Streukörpern aus PT-symmetrischem Material stärker als der Lichtstrahl selbst. Fällt der gleiche Lichtstrahl jedoch von rechts auf die aktiven Elemente, so ist die Reflektion stark unterdrückt und der Strahl kann die Elemente ungehindert durchdringen – die Streukörper sind von rechts somit unsichtbar.<br>Bild: Christoph Bersch<br>
Eines der Kernthemen der modernen Optik ist die Entwicklung photonischer Materialien und komplexer Systeme mit neuen Eigenschaften und hohem Anwendungspotential. Solche Metamaterialien beruhen derzeit vor allem auf der Manipulation der Lichtbrechung im Subwellenlängenbereich – auch so genannte „optische Tarnkappen“ funktionieren nach diesem Prinzip.
Vor kurzem wurde entdeckt, dass die Lichtausbreitung auch durch ein gezieltes Wechselspiel von Verstärkung und Verlusten substanziell beeinflusst werden kann. Dazu muss eine bestimmte Symmetriebedingung – die Parity-Time-Symmetrie (PT) –eingehalten werden, so dass bei einer Raum-Zeit-Spiegelung die Verstärkung und Verluste des Lichts ineinander überführt werden.
„Dieses neue Konzept wurde interessanterweise zuerst als alternative Interpretation der Quantentheorie entwickelt“, erklärt Prof. Dr. Ulf Peschel vom Institut für Optik, Information und Photonik der FAU. Gemeinsam mit dem Erlanger Max-Planck-Institut und ihren Kollegen aus Orlando konnten die Forscher dieses Prinzip jetzt auf die Optik übertragen und auf Lichtpulse in einem großen optischen Netzwerk anwenden. In ihren Experimenten zeigten die Wissenschaftler, dass sich Licht in Faserschleifen mit periodisch gesteuerter Verstärkung und Verlusten grundsätzlich anders ausbreitet als in konventionellen Materialien: Die Leistung optischer Felder kann sich nahezu explosionsartig verändern – in bestimmten Parameterbereichen bewegen sich die Flanken von Lichtpulsen mit Überlichtgeschwindigkeit.
Dank des Wechselspiels von Verstärkung und Verlusten werden so genannte PT-symmetrische Materialien sogar partiell unsichtbar: „Fällt ein Lichtstrahl von einer Seite auf das Medium, wird er vollständig und ohne jegliche Reflexionen transmittiert – das Licht verhält sich so, als sei kein Streukörper vorhanden“, erklärt Prof. Peschel. „Kommt der gleiche Lichtstrahl dagegen von der entgegengesetzten Seite, treten extrem starke Reflexionen auf.“ Das in den Experimenten angewendete Verfahren kann direkt auf mikrostrukturierte optische Systeme übertragen werden, wo es völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
In dem Projekt arbeiten Wissenschaftler des Instituts für Optik, Information und Photonik der FAU, des Exzellenzclusters „Engineering of Advanced Materials“ (EAM), der Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies (SAOT), des Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und der University of Central Florida in Orlando zusammen. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht (DOI:10.1038/nature11298).
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