Physiker designen ultrascharfe Pulse

Neues aus der Forschung

Meldung vom 27.07.2017

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.


170727-2106_medium.jpg
 
Mit diesem Aufbau lassen sich beliebig stark fokussierte Pulse erzeugen.
Bild: IQOQI Innsbruck
P. Maurer, J. Prat-Camps, J. I. Cirac, T. W. Hänsch, O. Romero-Isart. 2017. Ultrafocused Electromagnetic Field Pulses with a Hollow Cylindrical Waveguide. Phys. Rev. Lett. 119, 043904
DOI: 0.1103/PhysRevLett.119.043904

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung auf sehr kleine räumliche und zeitliche Dimensionen zu fokussieren. Ingenieure bedienen sich dazu unterschiedlicher Methoden. Eine Gruppe um den Physiker Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck präsentiert nun gemeinsam mit Ignacio Cirac und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München in der Fachzeitschrift Physical Review Letters ein neues Konzept für die Erzeugung stark fokussierter elektromagnetischer Felder.

Überraschendes Verhalten

Fließt ein elektrischer Strom durch eine Spule, erzeugt er elektromagnetische Wellen, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Wird die Spule in einen hohlen Zylinder gesteckt, dessen Oberfläche die Wellen perfekt reflektiert, dann geschieht etwas sehr Überraschendes. „Mit einem solchen Aufbau lassen sich beliebig stark fokussierte Pulse in beinahe gleichem zeitlichen Abstand erzeugen“, sagt der Nachwuchsforscher Patrick Maurer. „Je mehr Schwingungsmoden angeregt werden, desto stärker werden die Felder fokussiert.“ Mit Hilfe von analytischen Berechnungen haben die Theoretiker die Physik dieses Systems so gut durchdrungen, dass sie ausgehend von den Reflexionen der elektromagnetischen Wellen an der Innenseite des Zylinders die Stromimpulse in der Spule so konstruieren konnten, dass eine definierte Anzahl von Moden angeregt wird. „Dank der besonderen Eigenschaften des Systems muss der Impuls nur ganz geringfügig angepasst werden, um die Anzahl der Moden zu ändern – sprich, um das Feld stärker zu fokussieren. Die durchschnittliche Frequenz des Impulses bleibt im Wesentlichen immer die gleiche“, erzählt Jordi Prat-Camps, Postdoc im Team von Oriol Romero-Isart. Über den Radius des Zylinders lässt sich der Frequenzbereich des erzeugten Feldes bestimmen, mit einem, einige Zentimeter dicken Zylinder lassen sich zum Beispiel fokussierte Mikrowellenpulse erzeugen.

Technologische Herausforderungen

Mit numerischen Simulationen konnten die Innsbrucker Physiker ihre analytischen Berechnungen bestätigen. Dabei zeigte sich, dass die Felder ihre besonderen Eigenschaften noch eine Zeit lang beibehalten, wenn sie den Zylinder durch eine der beiden Öffnungen verlassen. Technologisch interessant ist das neue Konzept überall dort, wo stark fokussierte Felder benötigt werden, zum Beispiel in der Mikroskopie, wo damit noch exaktere Beobachtungen möglich wären. Für die Umsetzung ihres Vorschlages nennen die Theoretiker zwei Dinge, die zu beachten sind: „Erstens muss ein Material gefunden werden, das einen möglichst hohen Frequenzbereich optimal reflektiert“, sagt Jordi Prat-Camps. „Und dann ist eine präzise Erzeugung der von uns errechneten Stromimpulse notwendig. Je besser man diese Anforderungen erfüllen kann, umso deutlicher wird der gewünschte Effekt zu sehen sein.”

Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom Europäischen Forschungsfonds ERC und dem österreichischen Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung