Anzeige
Anzeige

Astronomie+Physik Technik+Digitales

Forscher: Photonische Kristalle können Lichtstrahlen in verschiedene Farben umwandeln

Amerikanische Wissenschaftler haben bei der Erforschung so genannter photonischer Kristalle ein überraschendes Phänomen entdeckt. Wenn diese Kristalle einer mechanischen Schockwelle ausgesetzt werden, verändern sie die Farbe eines sie durchdringenden Lichtstrahls. Prinzipiell könnte auf diese Weise sogar sichtbares Licht in Infrarot- oder gar Terahertzstrahlung umgewandelt werden. Das berichtet das britische Wissenschaftsblatt New Scientist (Ausgabe vom 24. Mai).

Die Wissenschaftler um John Joannopoulos vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston untersuchten in ihrer Arbeit, die in einer der nächsten Ausgaben der Physical Review Letters erscheinen wird, die Ausbreitung eines Lichtstrahls durch einen photonischen Kristall. Derartige Kristalle bestehen aus zwei verschiedenen Materialien, die Licht unterschiedlich stark brechen und in periodischer Abfolge angeordnet sind. Dies führt dazu, dass elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen sich nicht durch den Kristall ausbreiten kann – in Analogie zu den aus der Elektronik bekannten elektronischen Bandlücken von Halbleitern.

Die Forscher untersuchten nun mittels Computersimulationen die Veränderung der optischen Eigenschaften eines photonischen Kristalls, wenn dieser einer mechanischen Schockwelle ausgesetzt wird. Eine derartige Welle könnte etwa durch eine Pistolenkugel erzeugt werden, die auf den Kristall auftrifft. In der Simulation wanderte die Schockwelle mit Schallgeschwindigkeit durch den Kristall. Dadurch wurden die Kristallebenen in der Umgebung der Schockfront zusammengequetscht.

Wenn nun gleichzeitig ein Lichtstrahl durch den Kristall gesendet wird, kann ein überraschender Effekt eintreten: In der Simulation zog sich der Kristall in der Nähe der Schockfront so stark zusammen, dass der Lichtstrahl darin gefangen wurde. Er reflektierte viele Tausend Male zwischen dem gequetschten und dem ungestörten Bereich des Kristalls hin und her.

Da die Schockwelle durch den Kristall wanderte und sich somit die von ihr erzeugten ?Spiegel? bewegten, veränderte sich die Frequenz des gefangenen Lichts ? ein in der Fachwelt als ?Doppler-Effekt? bekanntes Phänomen. Wenn die so verschobene Frequenz nun nicht in die Bandlücke des photonischen Kristalls fiel, konnte der Lichtstrahl diesen verlassen ? in einer anderen Farbe.

Anzeige

Die Größe der Frequenzverschiebung sollte eigentlich von dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit der Schockwelle und der Lichtgeschwindigkeit abhängen und damit recht klein sein. Die Computersimulationen zeigen allerdings, dass durch clevere Wahl des photonischen Kristalls ein sichtbarer Lichtstrahl auch in Infrarotlicht oder sogar in Terahertz-Wellen umgewandelt werden kann. Die Ursache der großen Frequenzverschiebungen ist allerdings noch nicht bekannt.

Joannopoulos will die Vorhersagungen seiner Simulationen nun durch Experimente überprüfen. Dabei sollen die Kristalle in der Tat mit Pistolenkugeln beschossen werden. Da die vorhergesagten Effekte innerhalb einer Zehntausendstel Mikrosekunde eintreten sollten, könnten die Frequenzverschiebungen des Lichts so vor dem Auseinanderbersten des Kristalls beobachtet werden.

Stefan Maier
Anzeige

bild der wissenschaft | Aktuelles Heft

Anzeige

Aktueller Buchtipp

Sonderpublikation in Zusammenarbeit  mit der Baden-Württemberg Stiftung
Jetzt ist morgen
Wie Forscher aus dem Südwesten die digitale Zukunft gestalten

Wissenschaftslexikon

Vi|deo|de|co|der  〈[vi–] m. 3〉 Zusatzteil für Fernsehgeräte, das den Empfang von Videotext ermöglicht

Schul|pflicht  〈f. 20; unz.〉 Verpflichtung zum Besuch allgemeinbildender Schulen, in der Regel vom ersten bis zum neunten Schuljahr

Brau|nel|le 2  〈f. 19; Bot.〉 Lippenblütler mit aufsteigendem Stängel u. in Scheinähren stehenden Blüten mit blauvioletter Krone: Prunella vulgaris [<spätmhd. brunelle ... mehr

» im Lexikon stöbern
Anzeige
Anzeige