14:38 13 August 2020
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    Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) haben einen optischen Spiegel entwickelt, der aus nur wenigen hundert identischen Atomen besteht. Damit ist es der denkbar leichteste Spiegel weltweit. Dies ist einer Mitteilung des MPQ vom Donnerstag zu entnehmen.

    Gewöhnlich werden bei Spiegeln hochpolierte Metalloberflächen oder speziell beschichtete Gläser verwendet, um ihre Leistung bei kleinerem Gewicht zu verbessern. Aber Physiker am MPQ haben nun zum ersten Mal gezeigt, dass selbst eine einfach strukturierte Schicht aus nur wenigen hundert Atomen schon einen optischen Spiegel bilden kann.

    Damit sei er der denkbar leichteste Spiegel. Er sei nur wenige zehn Nanometer dick und damit tausend Mal dünner als ein menschliches Haar. Die Spiegelung darin sei jedoch so stark, dass man sie mit dem bloßen Auge wahrnehmen könnte.

    Wie funktioniert der Spiegel?

    Er arbeite mit identischen Atomen, die in einem zweidimensionalen Feld zu einem periodischen Viereckmuster angeordnet seien, wobei der Abstand zwischen den Atomen kleiner sei als deren optische Übergangswellenlänge. Beides seien typische und notwendige Merkmale von Metamaterialien.

    Metamaterialien sind künstlich erschaffene Strukturen mit spezifischen Eigenschaften, die natürlicherweise kaum vorkommen. Sie erhalten ihre Eigenschaften nicht durch ihr Material, sondern durch die spezielle Struktur, in der sie angelegt werden.

    Die beiden Eigenschaften – das periodische Muster und die Subwellenlänge – sowie ihr gegenseitiges Zusammenspiel würden den grundlegenden Mechanismus des neuartigen optischen Spiegels bilden:

    Auf der einen Seite würden das regelmäßige Muster und die atomaren Abstände in Subwellenlänge ein diffuses Streuen des Lichts unterdrücken und die Reflexion in einen gerichteten und stetigen Lichtstrahl bündeln. Andererseits sorge der vergleichsweise nahe, aber diskrete Abstand zwischen den Atomen dafür, dass ein einfallendes Photon mehr als einmal zwischen den Atomen hin- und herprallt, bevor es zurückreflektiert wird.

    Beide Effekte – die unterdrückte Brechung des Lichts und das Hin- und Herfedern der Photonen – würden zu einer „verstärkten kooperativen Antwort an das externe Feld“ führen, mit anderen Worten: zu einer sehr starken Reflektion.

    Wenig Einfluss auf Alltagsspiegel, dafür aber auf Wissenschaft

    Das neuartige Material werde kaum Einfluss auf die handelsüblichen Spiegel nehmen, die Menschen im Alltag verwenden, hieß es. Der wissenschaftliche Einfluss sei jedoch weitaus größer und weitreichender, so die Forscher.

    „Viele neue und spannende Möglichkeiten eröffnen sich nun für uns. Zum Beispiel liefert die Arbeit einen faszinierenden neuen Ansatz für die Quantenoptomechanik – ein wachsendes Feld, das die Quantennatur des Lichts mit mechanischen Mitteln untersucht. Oder, unsere Arbeit könnte auch dabei helfen, bessere Quantenspeicher oder einen quantenschaltbaren optischen Spiegel zu bauen“, sagte David Wei, Zweitautor der Studie. „Beides wären interessante und bedeutende Fortschritte auf dem Weg zur Quanteninformationsübertragung.“

    pd/mt

     

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