Optik: Magnetischen Anteil des Lichts sichtbar gemacht

Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich aus einem schwingenden elektrischen und magnetischen Feld zusammensetzt. Von unseren Augen wahrgenommen oder von Geräten nachgewiesen wird allerdings nur die elektrische Komponente. Dries van Oosten vom FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam und seine Kollegen haben nun einen Messfühler entwickelt, mit dem sich erstmals auch der magnetische Anteil des Lichts bei verschiedenen Frequenzen messen lässt.

Licht unter dem Messfühler | Eine Glasfaserspitze ist mit einer Aluminiumschicht ummantelt, in die ein Spalt gefräst wurde. Befindet sich die Sonde in einem Abstand von rund 20 Nanometern über einem Lichtleiter (hier als durchsichtiges Plättchen zu sehen), gelangt ein Teil der elektromagnetischen Wellen, die dort hindurch laufen, in den Messfühler. Auf diese Weise kann das magnetische Feld des Lichts (magnetische und elektrische Komponente sind hier blau beziehungsweise rosa dagestellt) bestimmt werden.

Die Forscher ummantelten dazu einen Lichtleiter mit einer dünnen Aluminiumschicht und frästen an einem Ende einen 40 Nanometer breiten Spalt in diesen Mantel. Auf diese Weise hatten sie einen so genannten Split-Ring-Resonator hergestellt. Das Team um van Oosten wählte die Geometrie der Struktur nun gerade so, dass sie auf den magnetischen Anteil des Lichts reagiert: Trifft eine elektromagnetische Welle auf den unterbrochenen Nanoring, induziert dessen magnetische Komponente einen Strom darin, bewegt also elektrische Ladungen. Zwischen den beiden Ringenden entsteht dadurch eine Spannung, die wiederum ein elektrisches Feld erzeugt. Und dieses kann über das Glasfaserkabel zu einem Detektor geleitet und erfasst werden.

Indem die Wissenschaftler das magnetische Feld derart umwandelten, konnten sie dessen Amplitude und Phase bei verschiedenen Lichtfrequenzen messen – allerdings jeweils nur in einer bestimmten Raumrichtung. Die Auflösung lag dabei unterhalb der untersuchten Wellenlänge. In ihrem Experiment nutzten van Oosten und seine Kollegen infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von 1550 Nanometern. Zum Einsatz kommen könnte die Sonde beispielsweise bei der Entwicklung von Metamaterialien, berichtet van Oosten. Diese künstlichen Strukturen besitzen Eigenschaften, die in der Natur nicht anzutreffen sind, wie etwa negative Brechungsindizes. Mit Hilfe des nun entwickelten Messfühlers ließen sich die optischen Eigenschaften von Metamaterialien viel besser kontrollieren als bisher, meint der Wissenschaftler. Denn nun ließe sich die Wirkung der Materialien auf den magnetischen Anteil der elektromagnetischen Wellen nicht nur theoretisch vorhersagen, was enorm komplex ist, sondern direkt bestimmen. (mp)