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Sonntag, Oktober 2, 2022

Eine perfekte Lichtfalle – Ermöglicht die perfekte Absorption von Licht in der Photosynthese und Photovoltaik

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Um eine dünne Schicht herum bauten die Forscher mit Spiegeln und Linsen eine „Lichtfalle“, in der der Lichtstrahl kreisförmig gelenkt und dann mit sich selbst überlagert wird – genau so, dass sich der Lichtstrahl selbst blockiert und nicht mehr verlassen kann System.


Es wurde eine „Lichtfalle“ entwickelt, in der sich ein Lichtstrahl am Entweichen hindert. Dadurch kann das Licht perfekt absorbiert werden.

Wer Licht effizient nutzen will, muss es möglichst vollständig absorbieren. Dies gilt sowohl in Photosynthese und in einer Photovoltaikanlage. Dies ist jedoch schwierig, wenn die Absorption in einer dünnen Materialschicht erfolgen soll, die normalerweise einen großen Teil des Lichts durchlässt.


Nun haben sie einen überraschenden Trick gefunden, mit dem ein Lichtstrahl auch in dünnsten Schichten vollständig absorbiert werden kann. Um die dünne Schicht bauten sie mit Spiegeln und Linsen eine „Lichtfalle“, in der der Lichtstrahl kreisförmig gelenkt und dann mit sich selbst überlagert wird – genau so, dass der Lichtstrahl sich selbst blockiert und nicht mehr verlassen kann System. Somit bleibt dem Licht nichts anderes übrig, als von der dünnen Schicht absorbiert zu werden – es gibt keinen anderen Ausweg.

Diese Absorptions-Amplifikations-Methode von Forschungsteams der TU Wien und der Hebrew University of Jerusalem wird heute (25. August 2022) in der Fachzeitschrift vorgestellt Wissenschaft. Es ist das Ergebnis einer fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beiden Teams. Der Ansatz wurde von Prof. Ori Katz von der Hebräischen Universität Jerusalem vorgeschlagen und mit Prof. Stefan Rotter von der TU Wien konzipiert. Das Experiment wurde vom Laborteam in Jerusalem durchgeführt und die theoretischen Berechnungen kamen vom Team in Wien.

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Gezeigt ist der Aufbau einer „Lichtfalle“, bestehend aus einem teildurchlässigen Spiegel, einem dünnen, schwachen Absorber, zwei Sammellinsen und einem totalreflektierenden Spiegel. Normalerweise würde der größte Teil des einfallenden Lichtstrahls reflektiert werden. Durch genau berechnete Interferenzeffekte interferiert jedoch der einfallende Lichtstrahl mit dem zwischen den Spiegeln zurückreflektierten Lichtstrahl, so dass der reflektierte Lichtstrahl schließlich vollständig ausgelöscht wird. Die Energie des Lichts wird von dem dünnen und schwachen Absorber vollständig aufgesaugt. Quelle: TU Wien


Dünne Schichten sind lichtdurchlässig

„Licht zu absorbieren ist einfach, wenn es auf einen festen Gegenstand trifft“, sagt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Ein dicker schwarzer Wollpullover kann leicht Licht absorbieren. Aber in vielen technischen Anwendungen hat man nur eine dünne Materialschicht zur Verfügung und möchte, dass das Licht genau in dieser Schicht absorbiert wird.“

Es wurden bereits Versuche unternommen, die Absorption von Materialien zu verbessern. Beispielsweise kann das Material zwischen zwei Spiegeln platziert werden. Das Licht wird zwischen den beiden Spiegeln hin und her reflektiert, durchdringt jedes Mal das Material und hat so eine größere Chance, absorbiert zu werden. Dafür müssen die Spiegel allerdings nicht perfekt sein – einer davon muss teildurchlässig sein, sonst kann das Licht gar nicht in den Bereich zwischen den beiden Spiegeln eindringen. Das bedeutet aber auch, dass immer dann, wenn das Licht auf diesen teildurchlässigen Spiegel trifft, ein Teil des Lichts verloren geht.

Das Licht blockiert sich selbst

Um dies zu verhindern, kann man die Welleneigenschaften des Lichts raffiniert nutzen. „Bei unserem Ansatz sind wir in der Lage, alle Rückreflexionen durch Welleninterferenz aufzuheben“, sagt Prof. Ori Katz von der Hebräischen Universität Jerusalem. Helmut Hörner von der TU Wien, der diesem Thema seine Diplomarbeit gewidmet hat, erklärt: „Auch bei unserer Methode fällt das Licht zunächst auf einen teildurchlässigen Spiegel. Schickt man einfach einen Laserstrahl auf diesen Spiegel, wird er in zwei Teile geteilt: Der größere Teil wird reflektiert, ein kleinerer Teil durchdringt den Spiegel.“

Dieser Teil des Lichtstrahls, der den Spiegel durchdringt, wird nun durch die absorbierende Materialschicht geschickt und dann zum teildurchlässigen Spiegel mit Linsen und einem weiteren Spiegel zurückgeführt. „Entscheidend ist, dass die Länge dieses Weges und die Position der optischen Elemente so eingestellt sind, dass der zurückkommende Lichtstrahl (und seine Mehrfachreflexionen zwischen den Spiegeln) den direkt am ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahl exakt auslöscht “, sagen Jewgeni Slobodkin und Gil Weinberg, die Doktoranden, die das System in Jerusalem aufgebaut haben.


Die beiden Teilstrahlen überlagern sich so, dass sich das Licht sozusagen selbst blockiert. Obwohl der teildurchlässige Spiegel allein eigentlich einen großen Teil des Lichts reflektieren würde, wird diese Reflexion durch den anderen Teil des Strahls, der durch das System läuft, bevor er zum teildurchlässigen Spiegel zurückkehrt, unmöglich gemacht.

Daher wird der früher teilweise transparente Spiegel nun für den einfallenden Laserstrahl vollständig transparent. Dadurch entsteht im Wesentlichen eine Einbahnstraße für das Licht: Der Lichtstrahl kann in das System eintreten, dann aber aufgrund der Überlagerung des reflektierten Anteils und des kreisförmig durch das System geführten Anteils nicht mehr austreten. Dem Licht bleibt also nichts anderes übrig, als absorbiert zu werden – der gesamte Laserstrahl wird von einer dünnen Schicht verschluckt, die sonst den größten Teil des Strahls durchlassen würde.

Ein robustes Phänomen

„Das System muss genau auf die Wellenlänge abgestimmt sein, die man absorbieren möchte“, sagt Stefan Rotter. „Aber abgesehen davon gibt es keine einschränkenden Anforderungen. Der Laserstrahl muss keine bestimmte Form haben, er kann an manchen Stellen intensiver sein als an anderen – es wird immer eine nahezu perfekte Absorption erreicht.“

Auch Luftturbulenzen und Temperaturschwankungen können dem Mechanismus nichts anhaben, wie Experimente an der Hebräischen Universität in Jerusalem zeigten. Das beweist, dass es sich um einen robusten Effekt handelt, der vielfältige Anwendungen verspricht – der vorgestellte Mechanismus könnte beispielsweise sogar gut geeignet sein, Lichtsignale perfekt einzufangen, die bei der Übertragung durch die Erdatmosphäre verzerrt werden. Der neue Ansatz könnte auch von großem praktischem Nutzen sein, um Lichtwellen von schwachen Lichtquellen (wie entfernten Sternen) optimal in einen Detektor einzuspeisen.

Referenz: „Massiv entarteter kohärenter perfekter Absorber für beliebige Wellenfronten“ 25. August 2022, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abq8103

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