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20.12.2012 12:59

Licht auf die Anderson-Lokalisierung

Wellen breiten sich in einem ungeordneten Medium nicht aus, wenn zwischen zwei Störstellen weniger als eine Wellenlänge liegt. Diese Theorie des Nobelpreisträgers Philip W. Anderson konnten Physiker der Universitäten Zürich und Konstanz erstmals direkt anhand der Ausbreitung von Licht in einem trüben Medium nachweisen.


Ausbreitung des Lichts in einem ungeordneten, trüben Medium im Abstand von jeweils einer Nanosekunde (= Milliardstelsekunde). Nach ca. vier Nanosekunden kann sich das Licht im Medium nicht mehr weiter ausbreiten.

Licht kann sich in einem trüben Medium wie Milch nicht geradlinig ausbreiten, weil die vielen Fetttröpfchen als Störstellen das Licht ablenken. Überschreitet die Unordnung – die Konzentration der Störstellen – ein bestimmtes Mass, können sich die Wellen in einem trüben Medium gar nicht mehr ausbreiten. Diesen Übergang zu einer lokalisierten Welle hat Philip. W. Anderson 1958 als erster beschrieben, weshalb man ihn auch Anderson-Lokalisierung nennt. Allerdings konnte die Anderson-Lokalisierung bisher noch nie beobachtet werden. Physiker der Universitäten Zürich und Konstanz haben in einem Experiment die Anderson-Lokalisierung von Licht nun erstmals direkt nachgewiesen. Wie aus ihrem im Wissenschaftsmagazin «Nature photonics» publizierten Artikel hervorgeht, tritt die Anderson-Lokalisierung des Lichts erst bei sehr viel trüberen Medien als Milch auf, nämlich erst, wenn zwischen zwei Störstellen nur noch etwa eine Wellenlänge liegt.

Lichtausbreitung auf Milliardstelsekunde genau verfolgt
Für ihre Studie untersuchte das Team die Ausbreitung von Licht in einem sehr stark streuenden Medium. «Um die Ausbreitung des Lichts und damit die Anderson-Lokalisierung sichtbar zu machen, mussten Bilder in einem zeitlichen Abstand von weniger als einer Milliardstelsekunde gemacht werden», erläutert Christof Aegerter die technischen Herausforderungen des Projekts. Anhand dieser hochauflösenden Aufnahmen konnten die Forscher zeigen, dass sich Licht bei der Anderson-Lokalisierung nach rund vier Milliardstel- bzw. Nanosekunden im Medium nicht mehr weiter ausbreiten kann.

Bisher war es sehr schwierig, bestimmte Eigenschaften von lokalisierten Zuständen zu berechnen, beispielsweise wie gross die kritische Konzentration der Störstellen ist. «Die Theorie wird dank unseren experimentellen Daten neue Impulse erhalten und weiter verfeinert werden können», ist Aegerter überzeugt.

Die Anderson-Lokalisierung von Wellen ist ein allgemeines Phänomen, das bei allen Wellen mit starker Streuung auftritt und auch praktische Bedeutung hat: Sie beschreibt u.a. den Übergang zwischen einem Leiter und einem Isolator.

Literatur:
T. Sperling, W. Bührer, C. M. Aegerter, G. Maret. Direct determination of the transition to localization of light in three dimensions. Nature Photonics. DOI: 10.1038/NPHOTON.2012.313

Kontakt:
Dr. Christof Aegerter
Universität Zürich
Physik Institut
Tel. +41 44 635 40 17
E-Mail: aegerter (at) physik.uzh.ch

Die Studie wurde vom Schweizerischen Nationalfonds , der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Center for applied Photonics der Universität Konstanz finanziert.

(Text: Dr. Calista Fischer)


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