"Jahr des Lichts": 9 Meilensteine der Lichtforschung
Im 17. Jahrhundert herrschten zwei gegensätzliche Meinungen zur Natur des Lichts. Auf der einen Seite stand Huygens mit seiner Wellenvorstellung, auf der anderen Seite Newton, für den Licht aus einem Strom von Partikeln bestand. Erst zwei Jahrhunderte später schien der Streit sein Ende zu finden. Maxwell verband 1865 in seinen vier maxwellschen Gleichungen elektrische und magnetische Felder miteinander. Er zeigte mathematisch, dass sich diese Felder wie elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen, der Lichtgeschwindigkeit. Kurz darauf bestätigte Hertz 1887 die theoretischen Erkenntnisse auch experimentell. Es war klar: Licht ist eine elektromagnetische Welle.
Doch Anfang des 20. Jahrhunderts kamen erneut Zweifel auf. Einstein entdeckte den photoelektrischen Effekt, wofür er 1922 den Nobelpreis erhielt. Bestrahlt man ein Metall mit Licht, werden Elektronen herausgelöst und ein elektrischer Strom entsteht. Das war aber nicht mit der Wellentheorie vereinbar. Daher postulierte Einstein die Existenz von Lichtteilchen und begründete den Welle-Teilchen-Dualismus. Eine Auflösung dieser widersprüchlichen Eigenschaften war erst in der Quantenmechanik möglich.
Die Maxwell-Gleichungen stellen die theoretische Grundlage der Elektrodynamik, also auch aller elektromagnetischer Wellen, dar. Ein solches Fundament sollte natürlich ebenso in bewegten Systemen und in der Welt der Quanten gelten. Erstere behandelt Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie. Während er herausfindet, dass Energie und Masse proportional sind (Energie ist Masse mal Geschwindigkeit zum Quadrat), legt er auch noch die Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante fest. Das Zweite, die Maxwell-Gleichungen in die Quantenwelt zu übertragen, gelingt erst Feynman, Schwinger und Tomonaga mit der Quantenelektrodynamik. Für die Beschreibungen der Wechselwirkungen von Elektronen und Photonen mit ihrer Umgebung erhielten die drei Herren 1965 den Nobelpreis.
Das Prinzip des photoelektrischen Effekts nutzen wir heute in elektrischen Bauelementen, genauer gesagt in Fotodioden. Eine bestimmte hilft sogar bei der Stromgewinnung aus erneuerbaren Energiequellen: die Solarzelle. Die Effizienz der ersten Solarzellen aus dem Jahr 1954 war lächerlich gering: Gerade einmal 6 Prozent elektrische Leistung konnte aus der Leistung des eingestrahlten Lichts gewonnen werden. Die theoretisch erreichbare Effizienz liegt bei 30 Prozent. Doch durch die Kombination von verschiedenartig modifizierten Siliziumschichten kann die Ausbeute gesteigert werden. Die wie ein Sandwich aufgebauten Tandem-Solarzellen erreichen aktuell eine Effizienz von bis zu 45 Prozent.
Während Fotodioden Licht aufnehmen, senden Leuchtdioden es aus. Die Wellenlänge, also die Farbe des abgestrahlten Lichts ist abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial und dessen Dotierung, das heißt der gezielten Einbringung anderer Atome. Zu Anfang leuchteten die Dioden lediglich rot und grün. Gelb und orange folgten schnell, doch die Suche nach einer blauen Diode war langwierig. Erst 1993 gelang es Nakamura, ein blaues Leuchten zu erzeugen. Zusammen mit Akasaki und Amano erhielt er 2014 den Nobelpreis für diese Leistung.
Doch die kleinen Leuchtmittel können noch mehr. Werden die Seitenflächen so beschichtet, dass sie einen Teil des Diodenlichts reflektieren und einen Teil durchlassen, erhält man einen Miniaturlaser. Die Laserdioden finden Anwendung in DVD-Playern oder Laserpointern. Sie erreichen zwar nicht annähernd so hohe Intensitäten wie ihre großen Brüder, sind aber kostengünstiger und sparen Platz.
Laser in Kombination mit Lichtwellenleitern sind aus der heutigen Telekommunikation nicht mehr wegzudenken. Auf langen Strecken haben sie die ältere Technik mit Kupferkabeln längst abgelöst. Das hat mehrere Gründe. Zum einen ist die maximale Übertragungskapazität von Glasfasern viermal größer – Tendenz steigend dank laufender Weiterentwicklung neuer Übertragungsmechanismen. Zum anderen dämpfen Kupferkabel das übertragene Signal viel stärker, nach ein paar hundert Metern muss es wieder verstärkt werden. Signale in Glasfasern schaffen die 1000-fache Strecke. Zudem sind Glasfasern günstiger und nehmen weniger Platz bei Installation und Verlegung ein. Auch in Lichtwellenleitern traten am Anfang hohe Verluste im Siliziumkristall auf. Durch die Herstellung immer reinerer Kristalle sind die Verluste inzwischen minimiert. Licht tritt aus einer Glasfaser immer nur an den Stirnflächen ein und aus, nie an den Seitenflächen: Verantwortlich dafür ist die Totalreflexion im Inneren des Leiters. Sie tritt auf, weil Kern und äußerer Mantel einen unterschiedlichen Brechungsindex haben.
Jedes Material hat einen Brechungsindex, nicht nur Glas. Theoretisch kann dieser Index positive und negative Werte annehmen. In der Natur kommen allerdings nur Zahlen vor, die größer sind als null, doch können inzwischen Kristallstrukturen mit negativem Brechungsindex hergestellt werden. Diese künstlichen Stoffe werden als Metamaterialien bezeichnet. Treffen Lichtstrahlen auf eine solche Oberfläche, verhalten sie sich unnatürlich. Sie werden über das Lot hinaus gebrochen. Mit Hilfe dieser Eigenschaft können Gegenstände sogar unsichtbar gemacht werden, zumindest für bestimmte Wellenlängen und Blickwinkel. Dazu wird das Licht um den Körper herumgelenkt. Derzeit finden Metamaterialien allerdings vor allem als Linsen Anwendung, da sich mit ihnen ein viel besseres Auflösungsvermögen realisieren lässt als mit Linsen aus gewöhnlichen Materialien.
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