IfIN – Photonik und superluminale Phänomene - Universität Koblenz ...

IfIN – Forschungsbericht 2006/07
IfIN – Photonik und superluminale Phänomene
Prof. Dr. Alfons A. Stahlhofen Prof. Dr. Herbert Druxes
Prof. G. Nimtz
Arbeitsgebiete: Mathematische Photonik
Reflexion an dielektrischen Grenzflächen
Grundlagen der Nah-Feld Optik
Superluminale Phänomene und Tunneleffekt
Partner: Prof. O. Keller, Physikal. Inst., Univ. Aalborg (Dänemark);
Prof. Raouf Bennaceur & Dr. Hichem Eleuch & Dominique Elser,
Lab. de Phys. de la Mat. Cond., Univ. Tunis (Tunesien);
Dr. J. Broe, NIST, Washington D.C. (USA)
Im Jahr 2000 wurde in Deutschland das Jahrhundert des Photons mit vielen weit reichenden
Zielen proklamiert. Vor diesem ehrgeizigen Hintergrund ist es interessant zu sehen,
dass selbst so elementare Prozesse wie die der Reflexion an elektrischen Grenzflächen
nicht vollständig verstanden ist. Dies
gilt insbesondere für den Bereich der
partiellen Reflexion, die entgegen der
Vorhersagen der geometrischen Optik
wie der Bereich der Totalreflexion von
diversen Modifikationen und Verschiebungen
des einfallenden Strahls geprägt
ist. Diese Effekte resultieren von
der Eigendynamik des einfallenden
Strahls. Das Ziel des Projektes ist die
theoretische und experimentelle Ermittlung
der Größenordnungen der
Modifikationen und Verschiebungen, sowie die Identifikation der dafür verantwortlichen Parameter.
Die Resultate haben Anwendungen im Bereich der Nanotechnologie, der Optoelektronik
und der Nah-Feld Optik.
In der Nah-Feld Optik werden mit Hilfe evaneszenter Moden die physikalischen Eigenschaften
mesoskopischer und nanoskopischer Systeme bis hin zum atomaren Bereich untersucht.
Dies gilt auch für die verschiedenen
Formen der Nah-Feld Mikroskopie, die durch
die Physik elektromagnetischer evaneszenter
Moden bestimmt wird und näherungsweise als
eine Realisierung der ursprünglich von Newton
entdeckten frustrierten Totalreflexion betrachtet
werden kann.
Der einfallende Strahl erfährt in diesem Fall
eine Fülle von Verschiebungen und Modifikationen,
die von den Vorhersagen der geometri-

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schen Optik abweichen und die in der Nah-Feld Optik bisher vernachlässigt wurden. Dies gilt
insbesondere für die Goos-Hänchen Verschiebung, eine longitudinale Verschiebung des
Strahls in der Einfallsebene, die theoretisch und experimentell untersucht wurde.
Die in verschiedenen Experimenten gemessenen photonischen Tunnelzeiten, die superluminalen
Ausbreitunggeschwindigkeiten entsprechen, konnten im Fall der frustrierten Totalreflexion
theoretisch reproduziert werden. Dabei stellte sich heraus, dass die Barriere (ein
Luftspalt zwischen zwei Prismen) selbst instantan durchquert wird, wobei die gemessene
endliche Tunnelzeit von der Goos-Hänchen Verschiebung verursacht wird. Zurzeit wird untersucht,
inwieweit weitere Abweichungen der Strahlausbreitung von der geometrischen
Optik weitere unabhängige Zeitskalen für die photonische Tunnelzeit definieren. Es wurde
gezeigt, dass die gemessenen superluminalen Gruppengeschwindigkeiten mit superluminalen
Signalgeschwindigkeiten identifiziert werden können.
Aus den Projekten ''Superluminale
Phänomene und Tunneleffekt'' sowie
''Reflexion an dielektrischen Grenzflächen''
ergeben sich spezielle mathematische
Fragestellungen, deren Resultate
für die theoretische Modellierung
der jeweils betrachteten Phänomene
relevant sind. Die Resultate
können auf diejenigen Bereiche der
nichtlinearen Optik und der Quantenmechanik
übertragen werden, die
durch Differentialgleichungen mit einer
äquivalenten mathematischen Struktur beschrieben werden. Die Bandbreite der Anwendungen
reicht dabei von der Ausbreitung von Elektronen (respektive Photonen) in speziellen
Medien mit einer effektiven ortsabhängigen Masse (in Medien mit einem ortsabhängigen
Brechungsindex).
• D. Müller, D. Tharanga, A.A. Stahlhofen und G. Nimtz (2006): “Nonspecular shifts of micro-waves in partial
reflection”, Europhysics Letters 73; 526-532
• A.A. Stahlhofen und G. Nimtz (2006): "Evanescent waves are virtual photons", Europhysics Letters 76; 189–
195
• G. Nimtz und A. A. Stahlhofen, "Comment on: Direct observation of pulse tunneling in an electromagnetic
band gap, S. Doiron, A. Hache, H. Winful", arXiv: 0710.5183
• G. Nimtz und A. A. Stahlhofen, "Universal tunneling time for all fields", arXiv: 709.0921
• G. Nimtz und A. A. Stahlhofen, "Macroscopic violation of special relativity", arXiv: 0708.0686
• A.A. Stahlhofen (2006): "Influence of total reflection on the imaging quality of optical systems: comment" J.
Opt. Soc. Am. A 23; 146-147

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IfIN – Didaktik der Naturwissenschaften
Prof. Dr. Alfons A. Stahlhofen Prof. Dr. Herbert Druxes
Dr. Edith Nitsche
Arbeitsgebiete: Angewandte Umweltwissenschaften
Energieparcours
Evaluation der Experimentierkisten
Förderung: Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Jugend und Kultur,
Programm ''Wissen schafft Zukunft'';
Verband der Chemischen Industrie, BASF
Partner: Dipl.-Ing. Christian Deichmüller;
Dipl.-Ing. (FH) Helmut Kerschsieper;
Hr. Michael Hohlbach
Fragen des Lärmschutzes sowie des
Schutzes vor nichtionisierenden Strahlen
(Elektrosmog) werden untersucht. Im Bereich
des Lärmschutzes konnte ein sofortiger
Handlungsbedarf in sensiblen Bereichen
wie Kindergärten nachgewiesen
werden, da dort die gesetzlich vorgeschriebenen
Grenzwerte (soweit vorhanden)
deutlich überschritten werden. Im
Bereich des Elektrosmogs wird zurzeit die
aktuelle Belastung von Patienten und Personal
in einem Krankenhaus untersucht.
Ferner ist eine Untersuchung der Folgen
der Elektrosmog-Exposition der Beschäftigten am Campus Koblenz aufgrund der dort vorhandenen
Mobilfunkantenne geplant.
Der Energieparcours wird vom Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Jugend und Kultur
im Rahmen des Programms ''Wissen schafft Zukunft'' gefördert und unter Leitung der Universität
Koblenz-Landau im TGZ Kaisersesch stationiert. Von dort aus kann der Energieparcours
von den weiterführenden Schulen im nördlichen Rheinland-Pfalz als Ergänzung zum
normalen Fachunterricht genutzt werden. Die Planung und die Koordination, die im Vorfeld
zu leisten war und die jetzt bei der Buchung des Energieparcours notwendig ist, wird von der
Universität Koblenz-Landau durchgeführt. Der Energieparcours bietet SchülerInnen verschiedener
Altersgruppen die Möglichkeit, Experimente unter dem Oberbegriff Energie
durchzuführen, er umfasst 7 Stationen. Die Stationen sind modular aufgebaut, so dass je

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nach Themengebiet und Wissensstand der SchülerInnen Versuchspakete mit unterschiedlichem
Schwierigkeitsgrad und unterschiedlicher
Dauer zusammengestellt
werden können.
Vom März 2006 bis April 2007 wurde
das Projekt Experimentierkisten für
die Grundschulen durchgeführt. Hierbei
handelt es sich um ein Projekt der Universität
Mainz in Zusammenarbeit mit
dem Ministerium für Bildung, Wissenschaft,
Jugend und Kultur im Rahmen
des Programms ''Wissen schafft Zukunft''
und der BASF. In diesem Projekt Eröffnung des Energieparcours
werden alle rheinland-pfälzischen Grundschulen, die an einer entsprechenden Lehrerfortbildung
teilnehmen, mit Experimentiermaterial in Klassensatzstärke ausgestattet. Die Universität
Koblenz-Landau führt in Zusammenarbeit mit der Universität Frankfurt die Evaluation
dieses Projektes durch. Dazu wurden vor Beginn des Experimentierkistenprojekts alle rheinland-pfälzischen
Grundschullehrer durch eine Fragebogenaktion zur Unterrichtssituation des
Sachunterrichts befragt. Die Auswertung
dieser Befragung erfolgte an der
Universität Koblenz-Landau. Parallel
zu dem Experimentierkistenprojekt
wurde nach den Fortbildungen ebenfalls
eine Befragung durchgeführt, die
die Qualität der Fortbildung sowie die
Motivation der Grundschullehrer, den
Sachunterricht stärker naturwissenschaftlich
zu gestalten, erfassen sollte.
Im November wird ein dritter Fragebogen,
in dem die Langzeiteffekte des
Projekts erfasst werden sollen, an die
Schulen verschickt werden. Auch hier ist eine enge Zusammenarbeit der Universitäten
Mainz, Frankfurt und Koblenz-Landau erforderlich.
• H. Kerschsieper, C. Deichmüller und A. A. Stahlhofen (2006): "Freizeitlärm: vernachlässigbarer Hintergrund
oder nichttriviale Exposition?", Zeitschrift für Lärmbekämpfung, Heft 3