Durchblick auf Abruf – Wenn sich der Nebel auf Knopfdruck lichtet

Forscherinnen und Forscher der Universität Rostock haben in enger Zusammenarbeit mit Partnern von der Technischen Universität Wien ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem künstliche Materialien je nach Wunsch lichtdurchlässig oder sogar gänzlich unsichtbar gemacht werden können. Diese Entdeckung wurde am 25. Mai 2022 im renommierten Fachjournal „Science Advances“ veröffentlicht.

Der Weltraum, unendliche Weiten… Das Raumschiff Enterprise geht wie gewohnt seiner Mission zur Erkundung der Galaxie nach, als plötzlich ein undurchdringlicher Nebel alle Kommunikationskanäle abreißen lässt. So oder so ähnlich beginnen zahlreiche Episoden der beliebten Fernsehserie, in denen die tapfere Crew innerhalb der üblichen 45 Minuten Sendezeit all ihre wissenschaftlich-technische Expertise auffahren muss, um pünktlich zum Abspann schließlich ihrer misslichen Lage entkommen zu sein. Rostocker Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es nun gelungen, eine Designmethode für künstliche Materialien zu entwickeln, die bei präzise dosierter Energiezufuhr Lichtsignale veränderungsfrei übertragen können.

„Wenn sich Licht in einem inhomogenen Medium ausbreitet, dann tritt so genannte Streuung auf. Dieser Effekt, der einen kompakten, gerichteten Strahl in ein diffuses Schimmern verwandelt, ist uns von sommerlichen Wolken oder herbstlichen Nebelschwaden geläufig“, beschreibt Professor Alexander Szameit von Institut für Physik der Universität Rostock den Ausgangspunkt der Überlegungen seines Teams. Wie genau Licht gestreut wird, hängt dabei von der mikroskopischen Dichteverteilung des Stoffes ab.

Weiter führt er aus: „Die grundlegende Idee der induzierten Durchsichtigkeit liegt darin, sich eine weitaus weniger bekannte optische Eigenschaft zu Nutze zu machen, um Licht sozusagen den Weg zu ebnen.“ Diese zweite Eigenschaft, in der Fachwelt als Nicht-Hermitizität bekannt, beschreibt den Zufluss und das Abklingen von Energie. Intuitiv mögen die damit verbundenen Effekte störend erscheinen – insbesondere das Verblassen eines Lichtstrahls durch Absorption scheint einer Verbesserung der Signalausbreitung alles andere als zuträglich. Dennoch sind nicht-hermitesche Effekte aus der modernen Optik nicht mehr weg zu denken. So beschäftigt sich ein ganzer Forschungszweig damit, wie das komplexe Zusammenspiel von Verlusten und Verstärkung gezielt zur Anwendung gebracht werden kann.

„Dieser Ansatz eröffnet gänzlich neue Möglichkeiten,“ berichtet Andrea Steinfurth, Doktorandin und Erstautorin der Arbeit. Für einen Lichtstrahl bedeutet das konkret, dass er auf mikroskopischer Ebene in unterschiedlichen Bereichen eines streuenden Materials verstärkt bzw. abgeschwächt werden kann. Um im Bild des Nebels zu bleiben, ließen sich dessen lichtstreuenden Eigenschaften komplett unterdrücken. „Wir verändern hier aktiv ein Material, um es für die Transmission eines bestimmten Lichtsignals anzupassen“, erklärt Steinfurth. „Dafür muss der Energiefluss exakt abgestimmt sein, um sich mit Material und Signal wie Puzzleteile zusammenzufügen.“ Dieser Herausforderung haben sich die Rostocker Forscherinnen und Forscher in enger Zusammenarbeit mit Partnern von der Technischen Universität Wien erfolgreich gestellt. Experimentell konnten sie die mikroskopischen Wechselwirkungen von Lichtsignalen und den neu entwickelten aktiven Materialien in Netzwerken aus kilometerlangen Glasfasern nachstellen.

Induzierte Durchsichtigkeit ist tatsächlich nur eine der faszinierenden Möglichkeiten, die sich aus diesen Erkenntnissen ergeben. Um ein Objekt wahrhaft unsichtbar zu machen, reicht es nicht aus, Streueffekte zu kompensieren. Lichtwellen müssen stattdessen gänzlich ungestört dahinter wieder auftauchen. Allein schon die selbst im Vakuum des Weltalls auftretende Beugung sorgt jedoch dafür, dass sich ein Signal beim Durchdringen eines Raumgebietes zwangsläufig verändert. „Unsere Forschung liefert das Rezept dafür, ein Material so zu strukturieren, dass Lichtstrahlen auf der anderen Seite so herauskommen, als gäbe es weder das Material, noch das von ihm eingenommene Raumgebiet. So etwas können noch nicht einmal die fiktiven Tarnvorrichtungen der Romulaner“, spannt Mitautor Dr. Matthias Heinrich den Bogen zurück zu den unendlichen Weiten von Star Trek.

Die im Rahmen der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse stellen einen Durchbruch in Grundlagenforschung zur nicht-hermiteschen Photonik dar und liefern neue Ansätze für die aktive Feinabstimmung sensibler optischer Systeme, beispielsweise Sensoren im medizinischen Bereich. Weitere Anwendungen liegen in der optischen Verschlüsselung und sicheren Datenübertragung sowie der Synthese vielseitiger künstlicher Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Kontakt:
Prof. Alexander Szameit
AG Experimentelle Festkörperoptik
Institut für Physik
Universität Rostock
Tel.: +49 381 498-6790
E-Mail: alexander.szameit@uni-rostock.de

Originalpublikation:

Die Original-Veröffentlichung in „Science Advances“ ist unter DOI: 10.1126/sciadv.abl7412 verfügbar.

https://www.uni-rostock.de/universitaet/kommunikation-und-aktuelles/medieninformationen/detailansicht/n/durchblick-auf-abruf-wenn-sich-der-nebel-auf-knopfdruck-lichtet/