Wir haben eine ganz neue Art entdeckt, Licht zu manipulieren

In einem Labor in Kanada verändert ein Aufbau die Geschwindigkeit von Licht im Mikrowellenbereich - abhängig von der Richtung. Das ist eine Sensation, denn das darf so gar nicht funktionieren. Und die Entdeckung könnte schnell sehr nützlich werden.

Geschwindigkeitskontrolle: Lichtwellen ganz anders

Licht kann unterschiedlich schnell unterwegs sein - je nachdem, aus welcher Richtung es kommt. Forschende aus Kanada und China haben ein System gebaut, in dem ein Mikrowellenpuls in eine Richtung schneller durchläuft als in die andere. Dabei bleibt die Stärke des Signals gleich. Damit ist erstmals nachgewiesen, dass sich die sogenannte nicht reziproke Lichtgeschwindigkeit technisch umsetzen lässt - ein Konzept, das für viele moderne Technologien spannend ist.

Was bringt es, Licht so steuern zu können?

Herzstück der Untersuchung ist ein spezielles Bauteil, das Lichtwellen im Mikrowellenbereich mit magnetischen Materialeigenschaften koppelt - ein sogenanntes Cavity Magnonics Device. Es besteht aus zwei zentralen Bausteinen: einem Resonator, der Mikrowellen einfängt und speichert, und einer winzigen Kugel aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG), einem magnetischen Material. Das Besondere an YIG: Es kann Spinwellen erzeugen - das sind Wellen, die durch das kollektive "Schwingen" von Elektronen in einem Magnetfeld entstehen. Gekoppelt werden beide Komponenten über eine feine Mikroleitung, die eine gezielte Energieverbindung - eine sogenannte dissipative Kopplung - ermöglicht.

Wird eine Mikrowelle in dieses System eingespeist, beeinflusst die magnetische Kugel, wie sich die Welle ausbreitet. Dabei spielt die sogenannte Chiralität eine Schlüsselrolle: Die Spins im YIG-Material drehen sich nur in eine bestimmte Richtung, abhängig vom äußeren Magnetfeld. Dadurch wird die Lichtausbreitung richtungsabhängig. Die Mikrowellenpulse bewegen sich in eine Richtung schneller, in die andere langsamer - fast identisch wie bei einer Ampelsteuerung, nur im Maßstab von Lichtgeschwindigkeit. Grün schneller, rot langsamer - durch Magnetfeld (Yao et al.)

Phase ist alles

Die entscheidende Steuergröße ist dabei nicht die Stärke des Signals, sondern seine Phase - also der zeitliche Verlauf der Welle. Wenn diese Phase verändert wird, kommt das Signal später oder früher an, ohne dass es abgeschwächt wird. Genau das ist dem Forschungsteam nun gelungen - und zwar mit einer klaren Richtungsabhängigkeit.

Solche Effekte galten bislang als physikalisch schwierig umzusetzen. Frühere Methoden wie die elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) erlaubten es zwar, Licht zu verlangsamen, aber immer gleichmäßig in beiden Richtungen. Die neue Technik bricht mit dieser Symmetrie. Dabei scheint sie sogar einer bekannten physikalischen Regel zu widersprechen - den Kramers-Kronig-Relationen, die eigentlich vorgeben, dass Änderungen an der Phase immer auch die Signalstärke beeinflussen. Doch das Experiment zeigt: In bestimmten Fällen lässt sich diese Einschränkung umgehen.

Wie funktioniert das System?
Die Studie wurde im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht. Gegenüber Phys erklärt Studienautor Jiguang Yao: "Die Verstärkung dieses Effekts ist entscheidend, um praktische Anwendungen zu ermöglichen. Als ersten Schritt planen wir, unser System um einige neue Techniken zu erweitern, um den Effekt gezielt zu steigern. Langfristig wollen wir ein breiteres Spektrum an Anwendungsszenarien erschließen." Noch sind die Verzögerungen im System relativ klein - doch das Team arbeitet bereits an Verbesserungen, um die Technik für reale Anwendungen nutzbar zu machen.

Das Potenzial geht dabei über klassische Kommunikationssysteme hinaus. Die gezielte, richtungsabhängige Phasenkontrolle eignet sich besonders für sogenannte neuromorphe Systeme - technische Nachbildungen von Nervennetzen, bei denen Signallaufzeiten eine zentrale Rolle spielen. Auch in Quantenkreisen, also Schaltkreisen für Quantencomputer, könnten solche Bauteile neue Steuermechanismen ermöglichen, bei denen Informationen je nach Richtung gezielt verzögert oder beschleunigt werden.


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