Photorefraktivität in zentrosymmetrischen Kristallen

Die enorme Verbreitung von Computern und die steigende Anzahl der Zugriffe auf das World Wide Web bedingen ein gigantisches Ansteigen der erzeugten und gesendeten Datenmengen. Dieser Nachfrage wäre mit herkömmlichen Speichermaterialien und gewöhnlichen Datenleitungen aus Kupfer kaum nachzukommen. Als moderne Alternative zur Elektronik sind in vielen Bereichen bereits die entsprechenden leistungsstärkeren optischen Komponenten im Einsatz, man spricht daher von Photonik. Eine Möglichkeit solche Komponenten zu erzeugen sind sogenannte photorefraktive Materialien, das sind Substanzen, welche bei Bestrahlung mit Licht ihren Brechungsindex ändern. Diese finden etwa als holographische Datenspeicher oder als Signalverstärker in optischen Glasfaserkabeln Anwendung. Die photorefraktiven Eigenschaften beruhen in den meisten dieser Materialien auf dem linearen elektrooptischen Effekt, der jedoch aus Symmetriegründen in zentrosymmetrischen Kristallen (ZsK) verboten ist. Daher sparte man bisher auf der Suche nach neuen photorefraktiven Medien ZsK naturgemäß aus. Dennoch wurde kürzlich zufällig in einigen dieser Substanzen ein photorefraktiver Effekt entdeckt. Sein Ursprung und der Mechanismus sind jedoch unverstanden. Im Rahmen des vorgelegten Projekts wird nun ein Modell vorgestellt, welches Photorefraktivität in ZsK erklären kann. Ziel des Projekts ist es, dieses Modell zu verifizieren. Dazu formulieren wir Minimalbedingungen für das mögliche Auftreten eines photorefraktiven Effekts in diesen Kristallen und bestätigen die Richtigkeit der zu Grunde gelegten Annahmen durch Experimente. Es wird also gemäß dieser Annahmen nach geeigneten Materialien gesucht und Kristalle werden gezüchtet. Schließlich untersuchen wir jene hinsichtlich ihrer Photorefraktivität, charakterisieren sie mittels holographischer Experimente und beweisen so die Gültigkeit unserer Annahmen. Eine Erklärung der experimentellen Ergebnisse wird auch die Klärung jener Phänomene beinhalten, welche in den bereits entdeckten ZsK beobachtet wurden. Eine erfolgreiche Realisierung dieses Projekts ist nicht nur für die Grundlagenforschung von Interesse, sondern hat auch enorme Bedeutung für die Photonik-Industrie.

Konventionelle Photorefraktivität, d.h., eine Änderung des Brechwerts bei Belichtung, basiert auf dem linearen elektrooptischen Effekt. Letzterer ist in zentrosymmetrischen Materialien aufgrund der Symmetrie verboten. Im vorliegenden Projekt zielten wir auf die Entdeckung zentrosymmetrischer photorefraktiver Substanzen ab, auf deren Charakterisierung und das Verständnis ihrer spezifischen Eigenschaften. Drei wissenschaftliche Meilensteine wurden erreicht: (1) Wir konnten neue photosensitive Medien entdecken, (2) ein Modell zur Erklärung der besonderen Kinetik beim Entstehen von holographischen Gittern in diesen Materialien entwickeln, und (3) deren Anwendbarkeit für neutronenoptische Bauteile demonstrieren. Wir untersuchten eine Vielzahl von Materialien, die unterschiedliche Ursprünge für ihre Photoempfindlichkeit haben, wie z.B., dotierte Granate, Molekularkristalle oder Polymer-Flüssigkristallsysteme. Zu Beginn formulierten wir Mindestvoraussetzungen für die Existenz eines photorefraktiven Effekts in zentrosymmetrischen Kristallen. Jene erlegten bestimmte Besonderheiten bei der Bildung von holographischen Gittern in diesen Materialen auf. Experimentelle holographische Untersuchungen in zentrosymmetrischem Natriumnitroprussid (SNP) zeigten exakt dieses Verhalten. Als Konsequenz entwickelten wir ein phänomenologisches Zwei-Zustands-Modell, welches die eigenartige Kinetik der Gitterbildung genau wiedergab, aber nicht nur für SNP, sondern auch eine Reihe anderer bekannter (DX-Zentrum Halbleiter) und neu entdeckter (dotierter Gadolinium-Gallium-Granat) photorefraktiver zentrosymmetrischer Medien. Während des letzten Jahres begonnen wir auch Studien an Polymer-Flüssigkristallen, Materialien welche aus einer homogenen Mischung von Monomeren (optisch isotrop) und Flüssigkristallen (optisch hochgradig anisotrop und elektrisch leicht schaltbar) bestehen. Bei Belichtung findet Polymerisation statt und resultiert in einer Polymer Matrix mit eingebetteten Flüssigkristallen, die zu starker Lichtstreuung führen. Wir entdeckten, dass diese Medien starke holographische Streuung, d.h., Lichtverstärkung zeigen und zwar in alle Richtungen im Einklang mit der Zentrosymmetrie. Weiters konnten wir demonstrieren, dass holographisch hergestellte Gitter in diesen Materialien eine außerordentlich hohe Beugungseffizienz für Neutronen besitzen. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen sind für die Photonik (Signalverstärkung in opt. Fasern, elektrisch schaltbare Beugungsgitter), Neutronenoptik (Beugungsgitter, Interferometer), und in der Medizin wesentlich, wo das NO- Molekül in optisch schaltbarem SNP wichtig biologische Funktionen (Neurotransmission, Enzym-, und Blutdruck Regulation, und auch als Inhibitor von Tumorwachstum) hat. Einige wichtige Resultate wurden in enger Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen der Universität Osnabrück, BRD und dem J. Stefan-Institut in Ljubljana, Slowenien, erzielt.