Coherent Backscattering from Multiple Scattering Systems - KOPS ...

Ein kurzer Überblick
Streuung ist ein Phänomen, auf das man auf dem Gebiet der Wellenenausbreitung überaus
häufig stößt. Insbesondere unsere Wahrnehmung der Umwelt ist ganz wesentlich durch Streuung
geprägt. Kaum eine Welle – ob nun Lichtwelle, akustische oder sogar seismische Welle –
erreicht uns auf geradem Weg. Auch für uns nicht direkt wahrnehmbare Wellen wie Radiooder
Mikrowellen oder auch die als Wellen beschreibbaren Elektronen unterliegen in nicht
unerheblichem Maße der Streuung.
Trotzdem hat die Physik besonders im Bereich der Vielfachstreuung noch viele offene Fragen
zu beantworten. Einige davon betreffen die so genannte kohärente Rückstreuung, ein
Phänomen, das durch Interferenz bestimmter vielfach gestreuter Wellen entsteht. Anhand
von elektromagnetischen Wellen im Spektralbereich des sichtbaren Lichts lassen sich diese Interferenzen
sehr präzise untersuchen, da hier nur Absorption als rivalisierender Effekt auftritt,
und die experimentelle Realisierung zudem nicht besonders kompliziert ist.
Die kohärente Rückstreuung lässt sich mit den Modell einer Zufallsbewegung oder Random
Walks der mit der vielfach gestreuten Welle assoziierten Teilchen durch das streuende Medium
beschreiben. In diesem Modell kann man sehr einfach verstehen, dass zu jedem Teilchenpfad
auch seine Umkehrung existiert, bei der ein anderes Teilchen den selben Pfad in
umgekehrter Richtung durchläuft, wenn beide Enden des Pfades von der einfallenden Welle
erreicht werden.
Interferenzen von aus unterschiedlichen Pfaden austretenden Wellen sind zufällig, da sie auf
den verschiedenen Random Walks unterschiedliche Phasenverschiebungen erfahren. Im Gegensatz
dazu hängt das Interferenzmuster der an den beiden Enden eines zeitumgekehrten
Pfades austretenden Wellen grundsätzlich nur vom Abstand der beiden Endpunkte und der
Richtung der einfallenden Welle ab.
Handelt es sich bei dem zeitumgekehrten Pfad um einen geschlossenen (Teil-)Pfad innerhalb
des Mediums, so führt konstruktive Interferenz am Pfadausgang zu einer erhöhten
Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Welle an diesem Ort und damit zu einer Verlangsamung
der Wellenausbreitung. Bei makroskopischer Besetzung solcher Pfadringe kommt es zu einem
vollständigen Zusammenbruch der Wellenausbreitung und damit zum Übergang in eine
lokalisierende Phase. Nach ihrem Entdecker P. W. Anderson wird diese als ‘Anderson-
Lokalisierung’ bezeichnet.
Liegen die beiden Endpunkte des Pfades dagegen in einem gewissen Abstand voneinander
an der Oberfläche des Mediums, so ist nur die Interferenz in Rückstreurichtung, also
in Richtung entgegengesetzt zur einfallenden Welle, grundsätzlich konstruktiv. Dies führt
bei Überlagerung der Interferenzmuster einer großen Anzahl solcher Pfade zu einer konusförmigen
Intensitätsüberhöhung um den Faktor zwei, die als kohärenter Rückstreukonus
bezeichnet wird.
Die Breite dieses Konus ist umgekehrt proportional zu der Schrittlänge des Random Walk, der
mittleren freien Transportweglänge l ∗ . Diese wiederum bestimmt beispielsweise, ob in einem