Nanohebel messen transversalen Lichtdruck

  • 29. April 2016

Experiment weist erstmals spin­ab­hängige Kompo­nente im Licht­feld nach.

Schon Johannes Kepler hatte vermutet, das Licht der Sonne übe einen Druck auf den Schweif von Kometen aus. Das würde erklären, warum die Kometen­schweife sich stets von der Sonne weg­bewegen. Mit den Arbeiten vieler anderer heraus­ragender Forscher – von Huygens über Newton, Euler, Maxwell bis zu Poynting – hat sich dann der Begriff des Strahlungs­drucks etabliert, der in Normal­richtung zur Wellen­front wirkt. Dieser Strahlungs­druck beruht auf dem Impuls der Photonen. Wie der nieder­ländische Quanten­theoretiker Frederik Jozef Belinfante 1940 heraus­fand, besitzt das Licht­feld aber auch noch eine trans­­versale Komponente, die vom Spin abhängt. Die Begründung für diesen seitlichen Licht­druck liegt in relati­vis­tischen, quanten­feld­theore­tischen Rechnungen zum Spannungs-Energie-Tensor des elektro­magne­tischen Feldes.

Transversaler Lichtdruck, Versuchsaufbau

Abb.: Aufbau des Experi­ments von oben. (Bild: C. Bermingham, U. Bristol)

Diese seitliche Komponente ist um Größenordnungen schwächer als der normale Licht­druck und tritt in allen struk­turierten elektro­magne­tischen Feldern auf, die nicht einfach nur eine ebene, homogene Welle dar­stellen. Zunächst als virtu­eller Beitrag zum Licht­feld betrachtet, sollte diese Kompo­nente aber prinzi­piell doch mess­bar sein. Ein inter­nationales Forscher­team hat jetzt neue techno­logische Entwick­lungen in der Raster­kraft­mikro­skopie genutzt, um den trans­versalen Licht­druck zu messen. „Der unge­wöhn­liche Aspekt bei dieser Wechsel­wirkung liegt darin, dass diese Kompo­nente senk­recht zur Aus­breitungs­richtung des Lichts wirkt und seine Orien­tierung sich abhängig von der Händig­keit der zirku­laren Polari­sation ändert”, sagt Massimo Antognozzi von der Uni­versity of Bristol.

Wie Theoretiker des japanischen Forschungs­zentrums RIKEN im Jahr 2014 heraus­fanden, tritt die trans­versale Kompo­nente insbe­sondere in evanes­zenten Licht­feldern auf, wie sie sich hinter einer total­reflek­tie­renden Ober­fläche aus­bilden. Auch bei einer Total­reflexion ver­schwindet das elektro­magne­tische Feld nicht sofort an der Grenz­fläche, sondern fällt rasch ab. In diesem struk­tu­rierten Licht­feld sollte die trans­versale Kompo­nente mit neuen Techniken mess­bar sein.

Dazu nutzten Antognozzi und seine Kollegen extrem sensible Nanohebel, die sich mit einer typischen Steifig­keit zwischen 10-6 N/m und 10-5 N/m und einer Kraft­auf­lösung im Bereich von Femto­newton hervor­ragend für solche Messungen eignen. Damit lässt sich etwa das Gewicht einzelner Bakterien messen. In Bristol stellt inzwischen ein neues Startup-Unter­nehmen namens Nu Nano solche Nanohebel her. Die Nanohebel haben eine Dicke von nur fünfzig Nano­metern, bei einer Breite von rund einem Mikro­meter und 120 Mikro­metern Länge. Sie werden in late­ralen Molekular­kraft-Mikro­skopen einge­setzt.

Transversaler Lichtdruck, Schema des Experiments

Abb.: Das evanszente Licht­feld hinter einer total­reflek­tie­renden Ober­fläche besitzt eine schwache Trans­versal-Komponente, die erst­mals gemessen wurde. (Bild: M. Antognozzi et al., U. Bristol)

Die Forscher vermaßen mit den Nanohebeln das Licht­feld hinter einer total­reflek­tie­renden Ober­fläche. Dabei stellte sich den Forschern jedoch das Problem, die verschie­denen Kompo­nenten des Lichts aus­ein­ander­zu­halten – insbesondere, da auch die neuen Nanohebel nicht perfekt nur in einer Richtung maßen, sondern stets auch andere Kompo­nenten drohten, das Ergebnis zu ver­fälschen. „Ein bedeutendes Problem war der große Unter­schied zwischen den drei Komponente des Impulses: die vertikale Gradienten­kraft, der longi­tu­dinale Strahlungs­druck und die extrem schwache trans­versale, spin­ab­hängige Kompo­nente”, so Antognozzi.

Das Lichtfeld erzeugten die Forscher mit Hilfe eines roten Lasers von 660 Nano­metern Wellen­länge, das sie durch eine Viertel­wellen­platte schickten, um die nötige Polari­sation zu erzeugen. Hinter einer total­reflek­tie­renden Glas-Luft-Ober­fläche maßen sie dann das Licht­feld mit dem Nanohebel, den sie mit einem zweiten Laser mit einer Genauig­keit von bis zu einem Nano­meter aus­lasen. Durch Vari­ation der Para­meter und An- und Aus­schalten des roten Lasers konnten die Wissen­schaftler so die schwache trans­versale Kompo­nente ein­deutig bestimmen.

Damit ist nicht nur eine fundamentale Eigenschaft des Licht­felds erst­mals experi­mentell bestimmt. Die Wissen­schaftler hoffen, in Zukunft mit ihren extrem empfind­lichen Techniken auch andere nano­skaligen Anwendungen erforschen zu können, bei denen die Komplexität und die Richtungs­ab­hängig­keit des Licht­felds konven­tio­nelle Methoden unmög­lich machen. Hierzu gehört etwa die Charak­teri­sierung von Licht­feldern über Nano­strukturen oder dünnen Filmen – insbe­sondere, wenn Chira­lität eine Rolle spielt. Aber auch plasmo­nische Anwendungen könnten sich nach Ansicht der Forscher als interes­santes Gebiet erweisen. Nicht zuletzt für die Opto­mechanik erhoffen die Forscher neue Möglich­keiten. Ange­sichts der Schwäche des nun nach­ge­wiesenen Effekts ist aller­dings noch etwas unklar, wie er sich nutzen lassen könnte, ohne vom normalen Strahlungs­druck völlig über­lagert zu werden. Vielleicht ließe sich der Effekt in speziell struk­tu­rierten Licht­feldern ja maximieren.

Dirk Eidemüller

RK

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer