Science
24.03.2014

Auf komplizierten Wegen wird's für Wellen wieder einfach

Forschern der TU Wien gelang erstmals eine Computersimulation sowie der experimentelle Nachweis von kurioser Konsequenz aus der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Theorie.

In Milch lenken unzählige Wasser- und Fetttröpfchen Lichtwellen ab, darum ist sie nicht durchsichtig. Wird der Weg von Wellen noch komplizierter, gelingt es nur mehr ganz bestimmten Wellenmustern, das Medium zu durchdringen. Diese Konsequenz aus einer mit dem Nobelpreis geehrten Theorie der Wellenausbreitung haben nun Wiener Physiker im Computer modelliert und erstmals experimentell nachgewiesen.

Erste Simulation

Wellen werden an Objekten abgelenkt, die Physiker sprechen von Streuung. US-Nobelpreisträger Philip W. Anderson hat 1958 ein nach ihm benanntes Phänomen (Anderson-Lokalisierung) vorhergesagt, wonach sich Wellen bei ganz starker Streuung nicht wie in einem herkömmlichen Diffusionsprozess ausbreiten, wie das etwa klassische Teilchen machen würden. Vielmehr stoppt ab einem bestimmten Schwellenwert diese diffuse Ausbreitung von Wellen durch ein kompliziertes, inhomogenes Medium "und sie frieren quasi ein, nur mehr ganz charakteristische Wellenzustände führen durch das Medium", sagte Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien im Gespräch mit der APA.

Anderson wurde für seine Theorie gemeinsam mit Kollegen 1977 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Es war aber lange nicht möglich, diese hoch komplizierte Ausbreitung von Wellen in ungeordneten Medien nachzuweisen. Rotter hat nun gemeinsam mit Kollegen von der TU eine Computersimulation entwickelt und gleichzeitig mit Wissenschaftern der University of Texas in San Antonio (USA) das Phänomen experimentell untersucht. Über ihre Arbeit berichten die Wissenschafter im Fachjournal "Nature Communications".

Es wird einfacher

Dazu wurden Aluminiumkugeln mit Styropor ummantelt und in eine Röhre gefüllt, durch die dann Mikrowellen geschickt wurden. Die Alu-Kugeln bildeten die völlig zufällig angeordneten Hindernisse, an denen die Mikrowellen gestreut wurden. Im Experiment zeigte sich, dass der Weg der Wellen nicht immer komplizierter wird, je länger die Röhre ist, sondern einfacher. Ab einer bestimmten Länge, also ab einer bestimmten Komplexität der Streuung, gelangt - wie von Anderson vorhergesagt - nur ein einziger Wellen-Zustand durch das System, am Ende der Röhre kommt immer das selbe Wellenmuster heraus. Alle anderen Wellenzustände werden völlig abgedämpft.

"Welches Wellenmuster den Weg durch das gesamte System schafft, ist abhängig von der Frequenz der Welle", sagte Rotter. Dagegen habe etwa der Einfallswinkel, mit dem man die Welle in das System schickt, keinerlei Einfluss.

Weitreichende Theorie

Wie Rotter betont, hatte man Anderson zu Beginn nicht ernst genommen, als er seine Arbeit schrieb. Erst später wurden die weitreichenden Folgen des von ihm beschriebenen Effekts erkannt. Denn die Wellenausbreitung in ungeordneten Medien tauche in vielen verschiedenen Gebieten der Wissenschaft auf, hebt Rotter hervor und verweist zum Beispiel auf die Ausbreitung von seismischen Wellen im Erdinneren oder von (Scheinwerfer-)Licht in Nebel. "Mit einem besseren Verständnis und insbesondere mit einer Steuerung dieser Phänomene wird noch sehr viel zu holen sein in den nächsten Jahren", so der Wissenschafter.