Ton steuert das Licht

04.02.2015

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts zeigte der sowjetische Physiker Leonid Mandelstam theoretisch, dass Schallschwingungen in einer transparenten Substanz Licht streuen können, das durch diese Substanz hindurchgeht. Schallwellen bewirken lokale Dichteänderungen des Mediums und verändern dadurch den Brechungsindex. Durch eine solche Streuung geht ein Teil der Lichtenergie verloren. Unabhängig von Mandelstam kam der amerikanische Physiker Leon Brillouin zu denselben Ergebnissen. Daher wurde die Wechselwirkung von Ton und Licht in transparenten Medien als Mandelstam-Brillouin-Effekt bezeichnet.

Wir bemerken jedoch nicht, dass laute Musik das Licht einer Glühbirne streut, wie beispielsweise das Licht von Autoscheinwerfern im Nebel streut. Der Effekt macht sich nur bemerkbar, wenn wir anstelle einer gewöhnlichen Glühbirne eine monochromatische Strahlungsquelle verwenden - einen Laser. Tatsache ist, dass der Laserstrahl eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge ist, die seine "Farbe" bestimmt. Der rote Strahl hat eine Wellenlänge, der grüne Strahl eine andere.

Nehmen wir nun eine Glasfaser-Datenleitung. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass Informationen übertragen werden, indem die Intensität eines Lichtstrahls geändert wird, der sich entlang eines transparenten Glasfadens ausbreitet. Ein einziger Glasfaserstrang kann gleichzeitig verwendet werden, um Daten über Hunderte von Kanälen zu übertragen, indem einfach Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden. Jeder Kanal entspricht einer bestimmten Laserwellenlänge. Ganz ähnlich verhält es sich mit der Übertragung von Daten über Funkwellen, nur dass wir die Leistung des Funksenders erhöhen, dann steigen die Signalstärke und die Reichweite seines Empfangs. Wenn wir die Laserleistung erhöhen, um ein Signal über eine optische Faser zu übertragen, verschlechtert sich die Übertragung – immer mehr des Signals geht aufgrund der Mandelstam-Brillouin-Streuung verloren. Daher gibt es eine Signalleistungsschwelle, deren Überschreitung nicht sinnvoll ist, da sonst das durchgelassene Licht einfach zurückreflektiert wird.

Was haben Physiker der University of Illinois gemacht? An einem dünnen Glasfaserstrang befestigten sie eine kleine Glaskugel. Dieses Design wird als optischer Ringresonator bezeichnet. Ein Laserstrahl aus einem Glasfaserfaden tritt in den Resonator ein und verbleibt durch mehrfache interne Reflexion darin wie in einer Falle. Dreh- und Angelpunkt des Experiments war der zweite Laserstrahl, dessen Frequenz sich um einen gewissen Betrag von der ursprünglichen unterscheidet. Die Differenz der Frequenzen der Laserstrahlen entsprach der Frequenz der akustischen Schwingungen des Kugelmaterials. Dies machte das optische Faser- und Resonatorsystem für den ersten Strahl transparent.

Überraschenderweise erwies sich ein solches System als durchlässig für Strahlen von nur einer Seite. Es stellte sich als eine Art optisches Drehkreuz heraus - das Licht geht von einer Seite durch und kann von der anderen Seite nicht passieren. Eine solch interessante Eigenschaft entsteht durch die komplexe Wechselwirkung zweier Lichtstrahlen und akustischer Wellen in einem Material - dem Mandelstam-Brillouin-Streueffekt. Nur in diesem Fall, anstatt den Durchgang des Strahls durch die Faser zu verhindern, stellte er ihm im Gegenteil einen freien Korridor zur Verfügung.

Die Entdeckung solcher Eigenschaften wird es ermöglichen, optische Isolatoren und Zirkulatoren im Miniaturformat herzustellen, die für faseroptische Systeme und in Zukunft für Quantencomputer benötigt werden. Jetzt basieren diese Geräte auf dem magnetooptischen Faraday-Effekt, und Magnetfelder und Materialien werden verwendet, um Licht nur in eine Richtung zu übertragen. Die gemachte Entdeckung wird nur dazu beitragen, unnötige Magnetfelder loszuwerden. Außerdem lässt sich damit die Gruppengeschwindigkeit eines Lichtstrahls verändern – was Physiker „schnelles“ und „langsames“ Licht nennen, wird benötigt, um Quanteninformationen zu speichern.

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