Nano-Goldpartikel als Lichtweiche in Glasfaserkabeln

Regt man ein Teilchen mit Licht an, kann es selbst Licht aussenden - und zwar immer in eine Richtung genau so viel wie exakt in die Gegenrichtung. Wiener Physiker haben es nun aber unter den besonderen Bedingungen der Nanowelt geschafft, diese Symmetrie zu brechen und damit ein winziges Goldpartikel zur Lichtweiche gemacht, berichten sie im Fachjournal Science.

Herausragende Lichtwellen

Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien und dem Vienna Center für Quantum Science and Technology (VCQ) experimentiert bereits seit Jahren mit Glasfasern, die so dünn sind, dass Lichtwellen nicht vollständig hinein passen und noch ein Stück über die Faser hinausragen. Dadurch kann das Licht mit außen auf der Glasfaser sitzenden Teilchen wechselwirken. Diese Kombination hat sich als interessantes Konzept mit vielfältigen Anwendungsperspektiven erwiesen - auch im aktuellen Experiment.

Dabei verwenden Rauschenbeutel und sein Team eine Glasfaser mit einem Durchmesser von 315 Nanometern (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter), auf der ein 90 Nanometer großes Goldpartikel sitzt. Das Teilchen wird dann mit einem Laserstrahl angestrahlt, der im rechten Winkel zur Glasfaser einfällt. Das Teilchen emittiert daraufhin Licht, wobei ein Teil davon in die Glasfaser geht - und zwar entweder ausschließlich nach links, nach rechts oder in beide Richtungen. Abhängig ist die Richtung von der Polarisation des Laserstrahls. "Wir können die Asymmetrie der Streuung mittels der Polarisation beliebig einstellen", sagte Rauschenbeutel zur APA.

Richtungssteuerung durch Polarisation

Es ist aber auch ein anderer Versuchsaufbau denkbar, der aus technischer Sicht besonders relevant ist: Dabei sitzt das Goldteilchen an einer Glasfaser-Kreuzung und das Licht fällt nicht von außen auf das Partikel, sondern kommt durch die Glasfaser. Auch in diesem Fall hängt es von der Polarisation des einfallenden Lichts ab, wohin die Lichtwelle weitergeleitet wird. "Auf diese Wiese könnte man dann zum Beispiel Licht in integrierten optischen Netzwerken schalten und steuern", so der Physiker.

Voraussetzung in beiden Fällen ist, dass das auf das Goldpartikel einfallende Licht zirkular polarisiert ist, also kreisförmig schwingt. "Das elektrische Feld verhält sich dann so wie ein Propellerblatt eines Flugzeugs - es steht senkrecht zur Fortbewegungsrichtung und dreht sich im Kreis.

Rasche kommerzielle Umsetzbarkeit

Dabei machen sich die Wissenschafter den Umstand zunutze, dass die Lichtwelle gar nicht in die hauchdünne Glasfaser hineinpasst, sondern darüber hinaus ragt. Denn genau dort, also außerhalb der Glasfaser, und damit da, wo das Goldpartikel sitzt, ist auch das in der Glasfaser geführte Licht zirkular polarisiert.

"Diese Technik zur Steuerung von Licht sollte sich rasch kommerziell einsetzen lassen, das ganze Experiment passt schon jetzt in einen Schuhkarton", sagte Rauschenbeutel in einer Aussendung der TU. Einsetzbar wäre die Methode etwa in integrierten optischen Schaltkreisen, die eines Tages vielleicht die heutigen elektronischen Schaltkreise ersetzen.