Mithilfe verzerrter photonischer Kristalle manipulierten Wissenschaftler das Licht so, dass es sich so verhält, als ob es von der Schwerkraft beeinflusst würde, und eröffneten so Möglichkeiten für optische Fortschritte und 6G-Kommunikation.
Das Verhalten des Lichts mit Pseudogravitation manipulieren
Eine Forschergruppe hat das Verhalten von Licht so manipuliert, als stünde es unter dem Einfluss der Schwerkraft. Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurden Körperliche Untersuchung A am 28. September 2023 haben weitreichende Auswirkungen auf die Welt der Optik und Materialwissenschaften und sind von Bedeutung für die Entwicklung der 6G-Kommunikation.
Ein konzeptionelles Bild des verzerrten photonischen Kristalls und des photonischen Kristalls. Bildnachweis: K. Kitamura et al.
Einsteins Theorie und Pseudogravitation
Albert Einsteins Relativitätstheorie hat seit langem nachgewiesen, dass die Flugbahn elektromagnetischer Wellen – einschließlich Licht- und Terahertz-Elektromagnetwellen – durch Gravitationsfelder abgelenkt werden kann. Wissenschaftler haben kürzlich theoretisch vorhergesagt, dass die Nachbildung der Auswirkungen der Schwerkraft – also der Pseudogravitation – durch die Verformung von Kristallen im niedrigeren normalisierten Energie- (oder Frequenz-)Bereich möglich ist.
„Wir wollten untersuchen, ob Gitterverzerrungen in photonischen Kristallen Pseudogravitationseffekte hervorrufen können“, sagte Professor Kyoko Kitamura von der Graduate School of Engineering der Tohoku-Universität.
Der Versuchsaufbau und die Simulationsergebnisse der Strahlbahn in einem DPC. Bildnachweis: ©K. Kitamura et al.
Die Rolle photonischer Kristalle
Photonische Kristalle verfügen über einzigartige Eigenschaften, die es Wissenschaftlern ermöglichen, das Verhalten von Licht zu manipulieren und zu kontrollieren und als „Verkehrskontrolleure“ für Licht innerhalb von Kristallen zu fungieren. Sie bestehen aus der periodischen Anordnung von zwei oder mehr verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Fähigkeiten, mit dem Licht zu interagieren und es in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster zu verlangsamen. Darüber hinaus wurden in photonischen Kristallen Pseudogravitationseffekte aufgrund adiabatischer Veränderungen beobachtet.
Kitamura und ihre Kollegen modifizierten photonische Kristalle, indem sie eine Gitterverzerrung einführten: eine allmähliche Verformung der regelmäßigen Abstände von Elementen, die das gitterartige Muster protonischer Kristalle störte. Dadurch wurde die photonische Bandstruktur der Kristalle manipuliert, was zu einer gekrümmten Strahlbahn im Medium führte – genau wie ein Lichtstrahl, der an einem massiven Himmelskörper wie einem vorbeifliegt schwarzes Loch.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen anhand des Transmissionsunterschieds zwischen Port B und C deutlich die Strahlbiegung in einem DPC. Bildnachweis: K. Kitamura et al.
Experimentdetails und Implikationen
Konkret verwendeten die Wissenschaftler für ihr Experiment einen verzerrten photonischen Kristall aus Silizium mit einer ursprünglichen Gitterkonstante von 200 Mikrometern und Terahertz-Wellen. Durch Experimente konnte die Ablenkung dieser Wellen erfolgreich nachgewiesen werden.
„Ähnlich wie die Schwerkraft die Flugbahn von Objekten verbiegt, haben wir eine Möglichkeit gefunden, Licht in bestimmten Materialien zu verbiegen“, fügt Kitamura hinzu. „Eine solche Strahlsteuerung in der Ebene im Terahertz-Bereich könnte in der 6G-Kommunikation genutzt werden. Aus akademischer Sicht zeigen die Ergebnisse, dass photonische Kristalle Gravitationseffekte nutzen und neue Wege im Bereich der Gravitonenphysik eröffnen könnten“, sagte außerordentlicher Professor Masayuki Fujita von der Universität Osaka.
Referenz: „Ablenkung elektromagnetischer Wellen durch Pseudogravitation in verzerrten photonischen Kristallen“ von Kanji Nanjyo, Yuki Kawamoto, Hitoshi Kitagawa, Daniel Headland, Masayuki Fujita und Kyoko Kitamura, 28. September 2023, Körperliche Untersuchung A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.108.033522