Kamel im Nadelöhr

News: Kamel im Nadelöhr

Vor einiger Zeit schmuggelten Forscher Licht durch eine Öffnung, die dafür eigentlich viel zu klein war. Jetzt gelang Wissenschaftlern mit Schall ein ähnliches Kunststück.

Ludmila Carone

Hyper-fokussierte Schallwelle — © (Ausschnitt)

Die Beugungsgrenze von einer halben Wellenlänge bildete lange Zeit ein unüberwindliches Hindernis: Kleiner durfte eine Öffnung nicht sein, damit eine Welle – sei es Licht oder Schall – ungestört hindurchgleiten konnte. Doch die Grenze wird durchlässig. So haben Wissenschaftler bereits vor einigen Jahren erfolgreich Lichtwellen durch eine kleinere Öffnung transportiert.

Julien de Rosny und Mathias Fink vom Laboratoire Ondes et Acoustique in Paris gelang es jetzt, auch für Schallwellen die Beugungsbegrenzung zu umgehen: Die Forscher fokussierten Schall – unerlaubterweise – auf einen Punkt mit einem kleineren Durchmesser als die Hälfte der Wellenlänge.

Für ihr Experiment bestückten die Wissenschaftler eine etwa zwei Millimeter dicke Glasplatte mit einer punktförmigen Kontaktstelle, an die sie einen Lautsprecher anschlossen. Dann sendeten sie zunächst einen fünf Mikrosekunden langen Schallpuls durch das Material. Die Welle wurde chaotisch im Glas reflektiert und ließ das Glas zwei Millisekunden lang nachschwingen, während ein Laserinterferometer die Schwingungen aufzeichnete.

Als de Rosny und Fink einen 1,5 Millisekunden langen Ausschnitt der Aufzeichnung chronologisch gesehen rückwärts von derselben Kontaktstelle wiedergaben, bündelten die Wände der Glasplatte die Schallwellen wie Linsen auf ihren Ursprungspunkt zurück. Mit diesem als time reversed acoustics bezeichneten Verfahren erreichten die Forscher zwar eine sehr gute Fokussierung, aber es gelang ihnen nicht, die Beugungsbegrenzung zu überwinden. Vielmehr entdeckten sie, dass während des Prozesses am Ursprungspunkt eine auseinander laufende Welle auftrat, die eine weitere Bündelung unmöglich machte.

Um die Störwelle zu eliminieren, wiederholten de Rosny und sein Kollege das Experiment mit einer kleinen Änderung: Sie schickten 0,25 Millisekunden nach dem Ende der abgespielten Aufzeichnung auch eine rückwärts gespielte Version des ursprünglichen Schallpulses hinterher. Und tatsächlich unterdrückte dieses verzögerte zeitgespiegelte Ursprungssignal die störende Welle: Es gelang eine Bündelung auf 1/14 der Wellenlänge – also siebenmal kleiner als eigentlich erlaubt.

Die Forscher nehmen an, dass hochfrequente Wellen aus dem Nahfeld des umgekehrten Ursprungssignal – damit wird der Bereich innerhalb einer Wellenlänge von der Quelle bezeichnet – die unerwünschte Welle unterdrücken.

Das gelungene Experiment könnte Aufschluss darüber geben, ob sich auch elektromagnetische Wellen unterhalb der Beugungsbegrenzung bündeln lassen. Die Durchführbarkeit untersuchen die Forscher jedenfalls zur Zeit.