Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stuttgarter Physiker entwickeln neuartige nano-optische Struktur zur Brechung der Zeitumkehr

25.03.2013
Hauchdünne Goldstrukturen statt große Faraday-Isolatoren

Forscher der Universität Stuttgart haben eine neuartige Nanostruktur entwickelt, die das physikalische Phänomen der Zeitumkehr bricht. Dr. Jessie Chin und Prof. Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut stellten ihre Ergebnisse, die auf elegante Art den sogenannten Faraday-Effekt vergrößert, in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ vor.*)


Aufbau und Geometrie des Dünnfilm-Faradayrotators. Die Magnetfeldspulen sind um die Probe herum angeordnet. Der rote Pfeil stellt das Magnetfeld dar. Erkennbar sind Gold-Nanodrähte in Gelb und die magneto-optische Dünnfilmschicht in Rot. Die elektromagnetische Lichtwelle ist in blau gezeigt. Bild: Universität Stuttgart

Die Struktur, die Gold-Nanomaterialien mit magneto-optischen Dünnschichten kombiniert, könnte einmal in optischen Glasfaser-Kommunikationsnetzen eingesetzt werden oder auch neuartige großflächige optische Beschichtungen ermöglichen.

Wenn sich Licht als elektromagnetische Welle in Materie ausbreitet, schwingt sein elektrisches Feld in einer ganz bestimmten Polarisationsrichtung. Michael Faraday entdeckte 1845, dass Materialien wie Glas oder bestimmte Kristalle diese Richtung drehen können, wenn man von außen ein starkes Magnetfeld entlang der Lichtausbreitungsrichtung anlegt. Je größer das Magnetfeld, desto stärker wird die Polarisationsrichtung gedreht ˗̶ über eine Strecke von mehreren Zentimetern um bis zu 45 Grad. Dieser Effekt wird noch einmal verdoppelt, wenn man hinter dem Kristall einen Spiegel aufstellt, der das Licht durch den Kristall wieder zurücksendet.

Man kann auf diese Art eine Polarisationsdrehung um 90 Grad erreichen und mit einem Polarisationsfilter das reflektierte Licht herausfiltern. Dies nennt man dann optische Isolation. Der Effekt hängt davon ab, in welche Richtung man sich durch den Kristall bewegt. Da ein Magnetfeld eine ausgezeichnete Richtung durch seinen Nordpol und seinen Südpol vorgibt, sagt man, der Effekt breche die Zeitumkehr. Man kann sich dabei vorstellen, dass Licht rückwärts läuft, wenn man die Zeitumkehr einschaltet.

Durch das äußere Magnetfeld kann das Licht aber genau die Richtung unterscheiden, in die es läuft. Dadurch wird die Polarisationsdrehung vorgegeben, unabhängig davon ob das Licht vor oder zurück läuft. Dies steht im Gegensatz zur Schulbuch-Physik zur „optischen Aktivität“ in einer Zuckerlösung, bei der das Licht nicht unterscheiden kann, in welche Richtung es läuft.

Nur 1/10.000 Millimeter groß
Die besten momentan vorhandenen Kristalle für die optische Isolation benötigen Magnetfelder mit einer Flussdichte von mehreren Tesla und sind einige Zentimeter dick. Der neue Stuttgarter Ansatz kombiniert dagegen hauchdünne Gold-Nanostrukturen und magneto-optische Materialien aus Yttrium-Eisen-Aluminiumoxid, wie sie in der Computertechnologie verwendet werden. Die Goldstrukturen, die nur 1/10.000 Millimeter groß sind, konzentrieren dabei das Licht in dem ähnlich dünnen magneto-optischen Film. Dadurch konnten Chin und Giessen die gesamte Struktur auf den Bruchteil eines Millimeters reduzieren und Drehungen im Bereich von einem Grad erreichen. Das magneto-optische Material wurde von Spezialisten der Universität Augsburg aus der Gruppe von Prof. Bernd Stritzker mittels Laserstrahlverdampfen hergestellt.

Dr. Jessie Chin sieht Anwendungsmöglichkeiten vor allem im Bereich der optischen Datenkommunikation für Glasfasern, wo die bisherigen großen Faraday-Isolatoren ein wesentlicher Kostenfaktor sind. Aber auch großflächige Beschichtungen wären möglich, zum Beispiel auf Linsen. Das wäre eine ganz neue Art, um Reflexe in optischen Systemen zu eliminieren. Um einen industrietauglichen Dünnfilm-Faraday-Isolator zu verwirklichen, besteht allerdings noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf“, so Prof. Harald Giessen. Optimierungsmöglichkeiten bestehen bei den Materialien und beim geschickten Design der Nanogeometrie.

*) Referenz: J. Y. Chin, T. Steinle, T. Wehlus, D. Dregely, T. Weiss, V. I. Belotelov, B. Stritzker, and H. Giessen, “Nonreciprocal plasmonics enables giant enhancement of thin film Faraday rotation”,Nature Communications 4, 1599 (2013). http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n3/full/ncomms2609.html

Kontakt: Prof. Harald Giessen, Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-65111, E-Mail: Giessen (at) physik.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n3/full/ncomms2609.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics