Wissenschaftler erzeugen mithilfe photonischer Kristalle „falsche Schwerkraft“.

Wissenschaftler haben mithilfe verformbarer photonischer Kristalle Licht so manipuliert, dass es sich so verhält, als ob es durch die Schwerkraft beeinflusst würde, und so Fortschritte in der Optik und der 6G-Kommunikation ermöglicht.

Das Verhalten von Licht mit falscher Schwerkraft manipulieren

Eine Forschergruppe hat das Verhalten von Licht so manipuliert, als stünde es unter dem Einfluss der Schwerkraft. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Körperliche Untersuchung a am 28. September 2023 wird weitreichende Auswirkungen auf die Welt der Optik und Materialwissenschaften haben und für die Entwicklung der 6G-Kommunikation von Bedeutung sein.

Konzeptbild eines verformbaren photonischen Kristalls und eines photonischen Kristalls. Bildnachweis: K. Kitamura et al.

Einsteins Theorie und falsche Schwerkraft

Albert Einsteins Relativitätstheorie hat seit langem bewiesen, dass die Bahn elektromagnetischer Wellen – einschließlich Licht- und Terahertz-Wellen – 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 Bereich niedriger Energie (oder Frequenz) möglich ist.

„Wir wollten untersuchen, ob Gitterverzerrungen in photonischen Kristallen Pseudogravitationseffekte hervorrufen könnten“, sagte Professor Kyoko Kitamura von der Graduate School of Engineering der Tohoku University.

Versuchsaufbau und Simulationsergebnisse des Strahlengangs im 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 das Licht innerhalb der Kristalle zu fungieren. Sie bestehen aus der regelmäßigen 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 beobachtet, die aus adiabatischen Veränderungen resultieren.

Kitamura und ihre Kollegen modifizierten photonische Kristalle, indem sie eine Gitterverzerrung einführten: eine allmähliche Verzerrung der regelmäßigen Abstände zwischen den Elementen, wodurch das gitterartige Muster der Protonenkristalle gestört wurde. Dadurch wurde die Lichtbandstruktur der Kristalle manipuliert, was zu einem gekrümmten Strahlengang in der Mitte führte – genau wie ein Lichtstrahl, der durch einen massiven Himmelskörper wie z schwarzes Loch.

Die experimentellen Ergebnisse mit dem Übertragungsunterschied zwischen Port B und C zeigen deutlich die Strahlbiegung bei DPC. Bildnachweis: K. Kitamura et al.

Einzelheiten des Experiments und seiner Auswirkungen

Konkret verwendeten die Wissenschaftler in ihrem Experiment einen verformbaren photonischen Kristall aus Silizium mit einer Elementargitterkonstante von 200 Mikrometern und Terahertz-Wellen. Experimente haben die Ablenkung dieser Wellen erfolgreich nachgewiesen.

„So wie die Schwerkraft die Bahn von Objekten verbiegt, haben wir einen Weg gefunden, Licht in bestimmten Materialien zu verbiegen“, fügt Kitamura hinzu. „Die Strahlsteuerung in der Ebene innerhalb des Terahertz-Bereichs kann in der 6G-Kommunikation genutzt werden. Wissenschaftlich gesehen zeigen die Ergebnisse, dass photonische Kristalle Gravitationseffekte nutzen können, was neue Wege auf dem Gebiet der Gravitonenphysik eröffnet“, sagte außerordentlicher Professor Masayuki Fujita von der Universität Osaka.

Referenz: „Beugung elektromagnetischer Wellen durch Pseudogravitation in verformbaren photonischen Kristallen“ von Kanji Nanjyo, Yuki Kawamoto, Hitoshi Kitagawa, Daniel Hedland, Masayuki Fujita und Kyoko Kitamura, 28. September 2023, Körperliche Untersuchung a.
doi: 10.1103/PhysRevA.108.033522