Auf Knopfdruck durchsichtig

Wissenschaftlern der Universität Rostock ist es in enger Zusammen­arbeit mit Partnern von der TU Wien gelungen, eine Design­methode für künstliche Materialien zu entwickeln, die bei präzise dosierter Energie­zufuhr Lichtsignale veränderungs­frei übertragen können. Die Kontrolle des Energie­flusses ermöglicht es also, das künstliche Medium für ein Lichtsignal vollständig durchsichtig zu machen.

„Wenn sich Licht in einem inhomogenen Medium ausbreitet, dann tritt Streuung auf“, erläutert Alexander Szameit von der Uni Rostock. Wie Licht gestreut wird, hängt dabei von der mikro­skopischen Dichte­ver­teilung des Stoffes ab. „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, die Nicht-Hermitizität, 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 nicht­hermitesche 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,“ sagt Andrea Steinfurth von der Uni Rostock. Für einen Lichtstrahl bedeutet das konkret, dass er auf mikro­skopischer Ebene in unter­schied­lichen Bereichen eines streuenden Materials verstärkt oder abgeschwächt werden kann. „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.“ Experimentell konnte das Team der Uni Rostock und der TU Wien 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“, betont Matthias Heinrich von der Uni Rostock.  

Die im Rahmen der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse stellen einen Durchbruch in Grundlagen­forschung zur nicht­hermiteschen 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.

U. Rostock / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Steinfurth et al.: Observation of photonic constant-intensity waves and induced transparency in tailored non-Hermitian lattices, Sci. Adv. 8, eabl7412 (2022); DOI: 10.1126/sciadv.abl7412
• Experimentelle Festkörperoptik (A. Szameit), Institut für Physik, Universität Rostock
• Institut für theoretische Physik, technische Universität Wien, Österreich