Forschung & Entwicklung

Materialgleichungen optisch aktiver Materialien experimentell bestätigt

Materialgleichungen zur Beschreibung optischer Eigenschaften wie die Polarisation wurden vor etwa hundert Jahren entwickelt. Erst jetzt gelang ein experimenteller Nachweis der Gültigkeit.

Die Orientierung des zum Licht gehörenden elektrischen Feldes wird allgemeinhin als Polarisation bezeichnet. Sie wird zum Beispiel zur Wahrnehmung von 3-D-Effekten im Kino oder bei der Vermeidung von Reflexionen ausgenutzt. Während bei Glas und vielen transparenten Plastiken die Polarisation nach dem Durchgang des Lichtstrahls erhalten bleibt, kommt es bei Materialien mit einer sogenannten chiralen Struktur, bei der die Rechts-Links-Symmetrie gebrochen ist, zu einer Drehung der Polarisationsrichtung.

Die Beschreibung der Eigenschaften optisch aktiver Materialien und ihre Wechselwirkung mit Licht erfolgt mit sogenannten Materialgleichungen. Physiker haben Anfang des vergangenen Jahrhunderts unterschiedliche Modelle für diese Gleichungen entwickelt. Eine experimentelle Überprüfung der Anwendbarkeit und Gültigkeit dieser unterschiedlichen Gleichungen war bisher mit den üblichen Transmissionsexperimenten nicht möglich.

Forscher des Felix-Bloch-Instituts der Universität Leipzig um Professor Marius Grundmann konnten erstmals die Gültigkeit der unterschiedlichen Modelle für die Materialgleichungen - basierend auf experimentellen Ergebnissen – überprüfen. Sie bestimmten die optische Aktivität mit polarisationssensitiven Reflexionsmessungen. Dazu untersuchten sie Kaliumtitanylphosphat, das unter anderem in grünen Laserpointern verwendet wird, und werteten die gemessene Polarisationsänderung des reflektierten Lichts mit verschiedenen Modellen aus. Es gelang ihnen, die optische Aktivität des Kaliumtitanylphosphats zu bestimmen. „Bei diesem Versuch handelt es sich um eines der wenigen verfügbaren Experimente dieser Art“, sagt Grundmann. Die Forscher der Universität Leipzig konnten zudem erstmals experimentell belegen, dass nur bezüglich elektrischer und magnetischer Felder symmetrische Materialgleichungen die optischen Eigenschaften und damit auch die optische Aktivität sowie die Wechselwirkung des Lichts mit dem Material eineindeutig und richtig beschreiben.

Ein typischer Vertreter für ein optisch aktives Material, das in nahezu jedem Haushalt vorhanden ist, ist Zucker. Fructose oder Glucose können zum Beispiel durch die Richtung ihrer Polarisationsdrehung unterschieden werden. Praktische Bedeutung hat die optische Aktivität unter anderem bei der Bestimmung der Reinheit von Materialien, etwa in Arzneimitteln, die in links- beziehungsweise rechtshändiger Ausführung sehr verschiedene Wirkungen erzielen können.

Die Arbeiten der Physiker des Felix-Bloch-Instituts wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt. Die experimentellen Arbeiten führten die Wissenschaftler mit einem Großgerät durch, das von der Sächsischen Aufbaubank (SAB) im Projekt ‚COSIMA‘ im Rahmen des Programms ‚Verbesserungen der Forschungsinfrastruktur und Forschungsvorhaben mit jeweils anwendungsnaher Ausrichtung‘ des sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst bewilligt wurde.

von mn

Originalveröffentlichung:

[C. Sturm, V. Zviagin, M. Grundmann, Applicability of the constitutive equations for the determination of the material properties of optically active materials, Opt. Lett. 44 (2019), DOI:10.1364/OL.44.001351]

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