In Wissenschaft und Technik soll oft möglichst viel Licht absorbiert werden, um daraus Energie zu gewinnen oder das einfallende Licht möglichst genau zu untersuchen. Relativ einfach ist das, wenn es sich um massive Objekte handelt, wie etwa Photovoltaikanlagen. Komplizierter wird die vollständige Absorption von Licht aber, wenn es um hauchdünne und daher auch lichtdurchlässige Materialien geht.
Licht effizient nutzen
Das könne man auch im Alltag beobachten, wie Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien erklärt. Ein Beispiel guter Absorption sei etwa schwarze Kleidung. Weniger gut werde das Licht hingegen von der menschlichen Netzhaut absorbiert. Wenn es abends dunkler wird, wird auch die Sicht schlechter – obwohl eigentlich noch ein bisschen Licht vorhanden wäre. Da die Netzhaut aber sehr dünn und lichtdurchlässig ist, geht viel vom einfallenden Licht verloren und kann nicht optimal genutzt werden.
Tiere, die nachtaktiv sind oder nachts auf die Jagd gehen, haben da einen Vorteil. Katzen müssen das wenige vorhandene Licht so effizient nutzen, dass sie auch in der Nacht sehen können. „Die Tiere schaffen das, indem sie hinter ihrer Netzhaut noch eine verspiegelte Schicht haben. Das führt dazu, dass das Licht noch einmal zurückgeworfen wird und der Strahl erneut von der Netzhaut absorbiert werden kann“, erklärt Rotter gegenüber science.ORF.at. Das sei auch der Grund für die leuchtenden Augen der Katzen in der Nacht.
Vorbild Natur
Rotter beschäftigt sich schon länger mit der Absorption von Licht und wollte den Ansatz der Katzen dazu nutzen, Licht auch in der Wissenschaft und Technik optimal zu nutzen. Gemeinsam mit dem Experimentalphysiker Ori Katz von der Hebräischen Universität Jerusalem hatte er eine Idee für eine Lichtfalle, mit der man auch in dünnsten Schichten einen Lichtstrahl vollständig absorbieren kann – viel besser als es die Katzen können. Rotter: „Durch die Netzhaut der Katzen kommt ein Lichtstrahl nur zweimal, mit unserer Methode wird der Strahl aber immer wieder reflektiert und trifft so lange auf das Material, bis er komplett absorbiert ist.“
Die theoretischen Berechnungen zur „perfekten Lichtfalle“ kamen aus Wien, experimentell realisiert wurde sie danach vom Team in Jerusalem. Das Ergebnis präsentieren die Forscherinnen und Forscher aktuell im Fachjournal „Science“.
Einbahnstraße für Licht
Aufgebaut ist die Falle aus exakt angeordneten Spiegeln und Linsen, die einen Lichtstrahl zwar durch einen teildurchlässigen Spiegel ins Innere lassen, ihn dann aber so lange im Kreis lenken, dass er sich schließlich mit sich selbst überlagert. Der zunächst teildurchlässige Spiegel wird für den einfallenden Laserstrahl vollständig durchlässig.
Es entsteht sozusagen eine Einbahnstraße für das Licht. Wenn die Falle genau auf die Wellenlänge des Lichtstrahls abgestimmt ist, hindert er sich selbst daran, die Falle wieder zu verlassen. „Dem Licht bleibt dann kein anderer Ausweg als vom dünnen Material im Inneren der Falle komplett absorbiert zu werden“, so Rotter.
Robustes System
Neben der perfekten Absorption habe die Falle auch weitere Vorteile, etwa ihre Robustheit. „Das System muss genau auf die Wellenlänge abgestimmt werden, die man absorbieren möchte“, so Rotter. „Aber abgesehen davon gibt es keine Vorgaben. Der Laserstrahl muss keine bestimmte Form haben. Er kann auch an manchen Stellen intensiver sein als an anderen.“
Auch Luftturbulenzen oder Temperaturschwankungen können dem Mechanismus nichts anhaben, wie die Forscherinnen und Forscher bei den Experimenten in Jerusalem zeigen konnten. Dadurch könnte die Falle viele Anwendungsmöglichkeiten haben.
Breite Anwendungsmöglichkeiten
Der Mechanismus wäre unter anderem gut dafür geeignet, selbst Lichtsignale, die bei der Übertragung durch die Erdatmosphäre verzerrt werden, perfekt einzufangen. Auch Licht von schwachen Lichtquellen, etwa von weit entfernten Sternen, könnte damit optimal in einen Detektor eingespeist werden.
Noch sei die Lichtfalle erst im Labor getestet worden – bis zu einem tatsächlichen Einsatz in der Praxis könne es noch einige Zeit dauern. „Wir haben es zum ersten Mal geschafft, eine Falle zu bauen, die das Licht perfekt einfängt und nicht wieder rauslässt. Mit der Einschränkung, dass die Falle bis jetzt nur bei einer klar definierten Frequenz funktioniert“, so Rotter. Für diese Frequenz sei die Methode aus Wien ideal, für Sonnenlicht, das keine wohldefinierte Frequenz hat, sei sie aber noch nicht brauchbar. Rotter möchte daher in künftigen Untersuchungen die Falle auch für andere Lichtfrequenzen optimieren.