Anderson Localization of Light

Abstract

Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit war der experimentelleNachweis der Existenz starker Lokalisierung von sichtbarem Licht.Hierbei galt das Hauptaugenmerk zeitaufgelöstenTransmissionsmessungen. Im Gegensatz zu Messungen der statischenTransmission ist diese Methode in der Lage die Effekte derAbsorption und Lokalisierung zu trennen. Flugzeitmessungen an Probenbestehend aus Titanoxid, welche eine niedrige mittlere freieWeglänge mit einem äußerst geringen Maß an Absorptionvereint, erlauben uns erstmalig, eine Verlangsamung desPhotonentransports zu messen. Diese Verlangsamung kann mit Hilfe derSkalenabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten theoretischerklärt werden. Dies ist konsistent mit den Vorhersagen vonAbrahams et al. für starke Lokalisierung.Systematische Messungen an einer Vielzahl von Proben, welche sichdurch ihre Teilchengrößen unterscheiden, erlauben uns denEffekt der Lokalisierung von Resonanzstreuung zu unterscheiden. Hiersorgt die durch Resonanz erhöhte Verweilzeit der Photonen ineinem Streuer für einen reduzierten Photonentransport durch dasMedium. Jedoch stimmen unsere Daten mit der Annahme überein,dass dieser reduzierte Transport keineswegs zu einer Abweichung derzeitaufgelösten Transmissionsdaten in deren Langzeitlimesführt.Es gelang uns verschiedene Effekte auszuschließen, diemöglicherweise in der Lage sind, solch einen Effekthervorzurufen. Zum Beispiel einen Dichtegradienten innerhalb derProbe, die Fluoreszenz des Materials wie auch Hintergrundbeleuchtungund Artefakte, welche ihren Ursprung im technischen Aufbau haben,wurden überprüft und eindeutig nicht als Quelle dergemessenen Abweichung identifiziert.Für kleinere Werte der mittleren freien Transportweglängekonnten größere Abweichungen zur klassischen Diffusionbeobachtet werden, sodass der Diffusionskoeffizient eine1/t-Abhängigkeit unterhalb eines kritischen Wertes vonkl*=4.2(2) aufwies. Dieses Verhalten bedeutet, dass derPhotonentransport zum Stillstand kommt. Es gelang uns, aus denMessungen eine charakteristische Länge, die alsLokalisierungslänge verstanden werden kann, zu extrahieren.Hiermit, und mit Hilfe der unabhängig gemessenenAbsorptionslänge gelang es uns erstmalig, eineDickenabhängigkeit der statischen Transmission eines starklokalisierenden Mediums ohne freie Parameter über 12Größenordnungen zu beschreiben.Erste Messungen zeitaufgelöster Transmission innerhalb einesMagnetfeldes zeigen vielversprechende Ergebnisse bezüglich desFaraday-Effekts auf stark lokalisierende Medien. Es wird erwartet,dass die Faradayrotation der Polarisation zu einer Zerstörungder Kohärenz auf zeitumkehrbaren Pfaden führt. Dies hat zurFolge, dass die Anzeichen nichtklassischer Diffusion verschwinden.Aus diesem Grund führten wir zeitaufgelösteTransmissionsexperimente an einer Mischung bestehend aus TiO2Teilchen und kleinen CeF3-Kugeln, welche eine sehr hoheVerdetkonstante haben, durch. Bei einem Massenverhältnis von 7%CeF3 waren wir in der Lage eine Abnahme des nichtexponentiellenLangzeitverhalten zu beobachten. Diese Messung ist konsistent mitden theoretischen Annahmen und erlaubt die Interpretation, dass diegemessene Abweichung der klassischen Diffusion ihren Ursprung in derTat in konstruktiver Interferenz auf zeitumgekehrten Pfaden hat.Diese ersten Ergebnisse müssen nun mit Hilfe eines verbessertenexperimentellen Aufbaus bestätigt werden. Hierfür ist einneues Flugzeitexperiment innerhalb eines supraleitenden Magneten,welcher kleinere Proportionen aufweist, geplant. Der Vorteil diesesneuen experimentellen Aufbaus liegt in dessen leichteren Justage undeinem höheren Signal zu Rausch Verhältnis, das uns eineklare Messung des Faradayeffekts erlauben wird.