In Wissenschaft und Technik soll man oft möglichst viel Licht absorbieren, um daraus Energie zu gewinnen oder das einfallende Licht möglichst genau zu untersuchen. Bei massiven Objekten wie PV-Anlagen ist dies relativ einfach. Bei dünnen und damit lichtdurchlässigen Materialien wird die vollständige Absorption des Lichts jedoch komplizierter.
Licht effizient nutzen
Das lässt sich auch im Alltag beobachten, wie Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Wien (TU) erklärt. Ein Beispiel für eine gute Absorption ist schwarze Kleidung. Die menschliche Netzhaut hingegen absorbiert Licht weniger gut. Wenn es abends dunkler wird, verschlechtert sich auch die Sicht, obwohl es eigentlich noch etwas Licht geben sollte. Da die Netzhaut jedoch sehr dünn und lichtdurchlässig ist, geht ein Großteil des einfallenden Lichts verloren und kann nicht optimal genutzt werden.
Tiere, die nachtaktiv sind oder nachts jagen, sind im Vorteil. Katzen müssen das wenige Licht so effizient nutzen, dass sie nachts sehen können. „Tiere schaffen das, indem sie hinter ihrer Netzhaut eine Spiegelschicht haben. Dadurch kommt das Licht zurück und der Strahl kann wieder von der Netzhaut absorbiert werden“, erklärt Rotter gegenüber science.ORF.at. Das ist auch der Grund für die leuchtenden Katzenaugen in der Nacht.
Vorbildcharakter
Rotter beschäftigt sich schon lange mit Lichtabsorption und wollte den Ansatz der Katzen nutzen, um Licht in Wissenschaft und Technik optimal zu nutzen. Zusammen mit dem Experimentalphysiker Ori Katz von der Hebräischen Universität Jerusalem hatte er die Idee für eine Lichtfalle, mit der ein Lichtstrahl selbst in dünnsten Schichten vollständig absorbiert werden kann, viel besser als Katzen. Rotter: „Ein Lichtstrahl geht nur zweimal durch die Netzhaut der Katze, aber bei unserer Methode wird der Strahl immer wieder reflektiert und trifft so lange auf das Material, bis er vollständig absorbiert ist.“
Die theoretischen Berechnungen für die „perfekte Lichtfalle“ kamen aus Wien und wurden dann vom Team in Jerusalem experimentell durchgeführt.
Einbahnstraße für Licht
Die Falle besteht aus präzise angeordneten Spiegeln und Linsen, die einen Lichtstrahl durch einen teilweise transparenten Spiegel im Inneren passieren lassen, ihn dann aber so lange im Kreis lenken, bis er sich schließlich selbst überlagert . Der anfänglich teilweise transparente Spiegel wird für den einfallenden Laserstrahl vollständig transparent.
Das Ergebnis ist sozusagen eine Lichteinbahnstraße. Wenn die Falle genau auf die Wellenlänge des Lichtstrahls abgestimmt ist, verhindert sie, dass dieser aus der Falle zurückprallt. „Dann bleibt dem Licht nichts anderes übrig, als von dem dünnen Material im Innern der Falle vollständig absorbiert zu werden“, sagt Rotter.
Robustes System
Neben der perfekten Dämpfung hat die Falle noch weitere Vorteile, wie zum Beispiel ihre Robustheit. „Das System muss genau auf die Wellenlänge abgestimmt sein, die man absorbieren möchte“, sagt Rotter. „Aber ansonsten gibt es keine Vorgaben. Der Laserstrahl muss keine bestimmte Form haben. Er kann auch an manchen Stellen intensiver sein als an anderen.“
Auch Luftturbulenzen oder Temperaturschwankungen können dem Mechanismus nichts anhaben, wie die Forscher bei den Experimenten in Jerusalem zeigen konnten. Infolgedessen könnte die Falle viele Verwendungen haben.
Breites Anwendungsspektrum
Der Mechanismus wäre unter anderem gut geeignet, um auch Lichtsignale, die bei der Übertragung durch die Erdatmosphäre verzerrt werden, perfekt einzufangen. Auch Licht von schwachen Lichtquellen, wie entfernten Sternen, könnte optimal einem Detektor zugeführt werden.
Die Lichtfalle wurde gerade erst im Labor getestet; bis zum praktischen Einsatz könnte es noch einige Zeit dauern. „Wir haben es erstmals geschafft, eine Falle zu bauen, die das Licht perfekt einfängt und nicht wieder herauslässt. Mit der Einschränkung, dass die Falle bisher nur bei einer klar definierten Frequenz funktioniert“, sagt Rotter. Für diese Frequenz ist die Wiener Methode ideal, für andere Lichter aber noch nicht anwendbar. Rotter möchte die Falle also für anderes Licht optimieren Frequenzen in zukünftigen Studien.