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News: Licht durchs Nadelöhr

Normalerweise gelangt Licht nur durch Löcher, die mindestens so groß sind wie seine Wellenlänge. Unter bestimmten Umständen, wenn ein leitfähiges Material die Öffnung begrenzt, kann es aber auch durch engere Kanäle huschen. Bereits die ersten Experimente ließen Forscher vermuteten, dass kollektive Schwingungen der Elektronen an der Grenzschicht zwischen Isolator und Leiter das Phänomen hervorrufen. Nun haben Physiker herausgefunden, dass alles etwas komplizierter ist: Die Schwingungen schließen sich beispielsweise zu Paaren zusammen oder bilden gar eine Art Kristall.
Bereits 1998 staunten Physiker in Straßburg und Princeton nicht schlecht, als sie feststellten, dass Licht kleine, regelmäßig angeordnete Löcher in einer Silber-beschichteten Quarzbarriere passierte. Denn die Öffnungen waren nur etwa 150 Nanometer groß und damit bis zu zehnmal kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Unter normalen Umständen gelangt nicht viel Licht durch so einen Engpass. Einzig der Tunneleffekt würde das ein oder andere Lichtquant hindurchlassen. Allerdings war die detektierte Intensität wesentlich größer, als es bei reinem Tunneln zu erwarten wäre.

Schon damals vermuteten die Forscher, dass das auftreffende Licht die Elektronen an der Oberfläche der leitenden Silberschicht in der Nähe des Lochs zu kollektiven Schwingungen anregte. Getreu dem Motto "jeder Schwingung ihr Teilchen" sprechen Physiker hier von Plasmonen – genauer von Oberflächenplasmonen. Nun fanden Luis Martín-Moreno und seine Kollegen von der University of Zaragoza in Spanien, dass sich nicht nur Plasmonen, sondern sogar regelrechte Plasmonen-Moleküle an der Oberfläche bilden. Dabei handelt es sich um Paare der quantenmechanischen Teilchen, die miteinander wechselwirken.

Die Gruppe um Anatoly Zayats der Queen's University of Belfast geht sogar noch einen Schritt weiter: Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass Plasmonen und Photonen des Lichts eine innige Beziehung eingehen und ein Oberflächen-Plasmon-Polariton bilden. Ein Polariton ist dabei die Kombination aus einem Photon und einem anderen Teilchen, hier eben dem Plasmon. Schließlich ergibt die Kombination aus Plasmonen-Polaritonen mit den regelmäßig angeordneten Löchern eine Art "polaritonischen Kristall". Die periodische Lochstrukur in diesem Kristall erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das im Bereich der Löcher besonders stark ist – daher also das Licht auf anderen Seite des Tunnels.

Laut Zayats sind diese polaritonischen Kristalle ein Analogon zu so genannten photonischen Kristallen. Hierbei handelt es sich um Strukturen, die Licht bestimmter Wellenlängen ausschließen. Eventuell stünden damit auch für die polaritonischen Kristalle ähnliche Anwendungen zur Verfügung.

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  • Quellen
Physics News Update
Physical Review Letters 86(6): 1110 (2001)
Physical Review Letters 86(6): 1114 (2001)

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