Nickel-Fusilli verhelfen zum Durchbruch

Physiker der FAU bestätigen Chiralen Faraday-Effekt erstmals im Experiment

Physiker der FAU konnten erstmals einen fundamentalen Effekt nachweisen, der seit langem vorhergesagt, bislang jedoch nicht experimentell bestätigt werden konnte: Bei der Chiralen Faraday-Anisotropie werden die Ausbreitungseigenschaften von Lichtwellen gleichzeitig verändert durch natürliche und magnetfeldinduzierte Materialeigenschaften des Mediums, durch das sich das Licht bewegt. Der experimentelle Nachweis gelang mithilfe von Helices aus Nickel im Nanometer-Bereich. Ihre Erkenntnisse haben die Forscher im renommierten Wissenschaftsjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Licht breitet sich in Form einer sinusförmigen Welle aus gekreuztem elektrischem und magnetischem Feld aus und interagiert mit Materie. Insbesondere durch äußere Magnetfelder kann diese Wechselwirkung beeinflusst werden. Eines der bekanntesten Beispiele für eine solche magnetooptische Aktivität ist der Faraday-Effekt: Wird Licht durch ein magnetisiertes Medium, beispielsweise einen Kristall, geleitet, kippt die Polarisationsebene der Lichtwellen um einen bestimmten Winkel. Dieses Phänomen wird allein durch das Magnetfeld bestimmt und summiert sich, wenn das Licht das Medium in entgegengesetzter Richtung erneut passiert. Neutralisiert werden kann der Dreheffekt nur, wenn auch die Richtung des Magnetfeldes umgekehrt wird.

Im Gegensatz dazu steht die natürliche optische Aktivität von chiralen Medien ohne Magnetfeld, bei der sich die Drehung der Polarisationsebene beim erneuten gegenläufigen Passieren des Lichts durch das Medium aufhebt. Chiral bedeutet, dass Moleküle oder Figuren ein spiegelbildliches Pendant haben, mit dem sie sich nicht durch einfache Drehung in Deckung bringen lassen. Beispiele dafür sind die linke und rechte Hand des Menschen oder Schneckenhäuser, deren Spiralen in gegengesetzte Richtung verlaufen. Zuckermoleküle etwa sind chiral – ihre Wechselwirkung mit Licht wird zum Beispiel genutzt, um die Zuckerkonzentration in Weintrauben zu bestimmen.

Schon Pasteur wollte Kombination der Effekte beweisen

Seit über einhundertfünfzig Jahren sind beide Phänomene – natürliche und magnetische optische Aktivität – bekannt, und fast ebenso lange wird vorhergesagt, dass es auch eine Kombination dieser Effekte geben müsse. „Schon Louis Pasteur, der große französische Naturwissenschaftler, hat versucht, eine Korrelation experimentell nachzuweisen“, sagt Vojislav Krstić, Professor für Angewandte Physik an der FAU. „Pasteur verfügte natürlich nicht über die sensitive Frequenzmesstechnik, die wir heute haben. Aber auch mit dieser Technik ist ein Nachweis bis heute nicht erfolgt, weil es an einem geeigneten Versuchsaufbau fehlte.“

Einer internationalen Kollaboration um Vojislav Krstić ist nun gelungen, woran Pasteur und viele andere Forschende gescheitert sind: Die „Chirale Faraday-Anisotropie“ konnte erstmals im Experiment bestätigt und damit eines der letzten Puzzleteile der fundamentalen magnetooptischen Theorien geliefert werden. Möglich wurde dieser Erfolg durch einen einzigartigen Versuchsaufbau, bei dem sogenannte Helices aus Nickel eine besondere Rolle spielen: Die Forschenden haben dafür sowohl rechts- als auch linksgewundene Spiralen – in ihrer Form ähnlich den italienischen Fusilli – auf der Nanometerskala hergestellt, indem sie Nickel verdampft und die Atome auf einer sich drehenden Scheibe wieder angelagert haben. „Durch die Drehung der Scheibe bilden die Nanostrukturen nicht die üblichen Säulen, sondern werden in eine Schraubenform gebracht“, erklärt Krstić.

Wald aus Helices als chirales Medium

Für das eigentliche Experiment wurde ein „Wald“ aus magnetisierten Nickel-Helices auf einer Silberschicht errichtet. In einem Teil des Versuchs wurden ausschließlich linksdrehende Spiralen verwendet, im zweiten Teil ausschließlich rechtsdrehende. Die Helices dienen dabei als chirales Medium, die Silberschicht als Reflektor des einfallenden Lichtstrahls. „Dass wir das Licht reflektiert und nicht einfach durch das Medium geleitet haben, war ein entscheidender Faktor“, sagt Vojislav Krstić.

Die Idee dahinter: Passiert das Licht die Helices sowohl auf dem Hin- als auch auf dem Rückweg – bei präzise abgestimmter Richtungsänderung des Magnetfeldes –, müsste sich theoretisch jeder der beiden grundlegenden Effekte aufheben, egal ob es sich um rechts- oder linksgewundene Helices handelt. Falls sich die beiden Phänomene aber gegenseitig beeinflussen, dann muss ein Nettosignal übrig bleiben, das sich für rechts- und linksgewundene Helices entgegengesetzt verhält. Krstić: „Genau dieses Nettosignal haben wir gemessen und damit die Korrelation des chiralen und magnetischen Effekts bewiesen. Es war einer dieser Heureka-Momente, von denen jeder Wissenschaftler träumt.“

Astroforschung im Labor und Impulse für die Quantenelektronik

Mit ihrer Forschung haben die Wissenschaftler um Vojislav Krstić nicht nur den experimentellen Beweis für eine seit langem vorhergesagte Theorie der Magnetooptik geliefert. Ihr Ansatz macht es zugleich möglich, einige astrophysikalische Phänomene künftig auf der Erde zu untersuchen: Die Chirale Faraday-Anisotropie wird beispielsweise in magnetisierten Gaswolken vermutet, in denen bestimmte Astroteilchen das ausgesandte Lichtspektrum galaktischer und intergalaktischer Medien modifizieren. Neue Impulse könnten die Erkenntnisse auch der weiteren Erforschung von Quantentechnologien für elektronische Schaltungen geben, denn der beschriebene optomagnetische Prozess findet sich analog auch in elektronischen Anregungen in Festkörpern.

Zur Originalpublikation

DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.177401

„Detection of the Faraday chiral anisotropy“ https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.177401

Kontakt

Prof. Dr. Vojislav Krstić
Institut für Physik der Kondensierten Materie
vojislav.krstic@fau.de