Dichroismus

Durch Glasblasen erstellte dichroitische Glasperle

Dichroismus (Zweifarbigkeit, abgeleitet vom griechischen Wort dichroos für „zweifarbig“) wird in der Optik die Eigenschaft von bestimmten Materialien bezeichnet, Licht in Abhängigkeit der Polarisation unterschiedlich stark zu absorbieren (siehe auch Pleochroismus – Mehrfarbigkeit); dies wirkt sich auf das Reflexionsverhalten der Materialien aus. In der Mineralogie findet der Dichroismus Verwendung bei der Charakterisierung von Mineralien.

Weiterhin gibt es noch röntgenspektroskopische Effekte, die auf der Kopplung von (Röntgen-)Photonen an bestimmte Elektronenorbitale beruhen und unter dem Begriff Röntgendichroismus zusammengefasst werden.

Beschreibung

Materialien (hauptsächlich Kristalle) haben eine oder mehrere ausgezeichnete optische Achsen. Bei optisch einachsigen Materialien wird einfallendes Licht in Abhängigkeit seiner Polarisation ein zwei Teilstrahlen aufgespalten: dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl. Zeigt das Material unterschiedliche Absorptionsverhalten bezüglich dieser Achsen, das heißt, bei einer bestimmten Wellenlänge wird der ordentliche stärker bzw. schwächer absorbiert als der außerordentliche Strahl, spricht man von einem dichroitischen Kristall. Bei einem entsprechend dicken Kristall wird daher einer der beiden Teilstrahlen (komplett) absorbiert und nur der andere transmittiert. Dieser Effekt wird beispielsweise bei Polarisatoren angewendet. Der Effekt ist aber stark wellenlängenspezifisch und tritt nur in einem schmalen Spektralbereich auf, das heißt, bei einer anderen Wellenlänge des Lichts kann der Effekt nicht auftreten, man spricht dann von Doppelbrechung, oder sich gar umkehren. In der Regel sind dichroitische Kristalle doppelbrechend und doppelbrechende Körper dichroitisch. Ausnahmen bestehen beim Vorliegen ganz bestimmter Bedingungen. Betrachtet man „normales“, d. h. unpolarisiertes, Weißlicht im gesamte sichtbare Spektrum, so führt die polarisationsabhängige Absorption von dichroitischen Materialien zu Schwächung bestimmter Spektralbereiche. Diese Änderung ist dann als Änderung der Lichtfarbe wahrnehmbar.

Ein komplexeres Absorptionsverhalten liegt bei optisch mehrachsigen Kristallen vor. Beispielsweise existieren bei optisch zweiachsigen Kristallen zwei außerordentliche Strahlen, sie zeigen den Trichroismus (Dreifarbigkeit). Analog dazu zeigen mehrachsige Kristalle den Pleochroismus (Mehrfarbigkeit).

Formen des Dichroismus

Beim Dichroismus wird hinsichtlich der Art von Polarisation, die das einfallende Licht hat, unterschieden. Es gibt den linearen Dichroismus, bei dem das Material von linear polarisiertem Licht durchstrahlt wird. Daneben wird mit Zirkulardichroismus die Differenz der Absorptionskoeffizienten für links bzw. rechts zirkular polarisiertes Licht beim Durchgang durch optische aktive Verbindungen beschrieben. Analog zu magnetooptischen Effekten der Doppelbrechung kann auch der Dichronismus bestimmter Materialien durch magnetische Felder beeinflusst werden. Hierbei wird zwischen dem magnetischen linearen Diachronismus und dem magnetischen zirkularem Diachronismus unterschieden.

Linearer Dichroismus

Als linearer Dichroismus wird das Phänomen bezeichnet, dass der außerordentliche Strahl stärker absorbiert wird als der ordentliche. Mathematisch formuliert wird der Unterschied der Absorptionskoeffizienten untersucht:

$\Delta \epsilon =\epsilon _{||}-\epsilon _{\bot }.$

Magnetischer zirkular Dichroismus

Der magnetische zirkulare Dichroismus (auch magnetische Zirkulardichroismus oder zirkularer magnetischer Dichroismus genannt, engl. magnetic circular dichroism, MCD) tritt bei magnetischen oder magnetisierten Materialien auf als eine Folge der unterschiedlichen Spinbesetzung gewisser Orbitale. Zirkularpolarisiertes Licht versetzt bevorzugt Elektronen in gewissen Orbitalen, die durch die Spin-Bahn-Kopplung unterschiedliche Besetzungsdichte aufweisen.

Dabei liegt die Magnetisierung parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts, das zirkular polarisiert ist. Man unterscheidet zwischen einer polaren und einer longitudinalen Geometrie. Bei der polaren Geometrie liegt die Magnetisierung senkrecht zur Oberfläche, bei der longitudinalen liegt die Magnetisierung parallel zur Oberfläche in der Einfallsebene. Hier wird die unterschiedliche Absorption für die beiden Polarisationsrichtungen ausgenutzt. Diese ist proportional zum Imaginärteil der Brechzahl. Der gemessene Effekt entspricht somit:

$\mathrm {Im} (n_{+}-n_{-})=\mathrm {Im} \left({\sqrt {\varepsilon _{xx}+\mathrm {i} \,\varepsilon _{xy}}}-{\sqrt {\varepsilon _{xx}-\mathrm {i} \,\varepsilon _{xy}}}\right)\approx \mathrm {Re} \left({\frac {\varepsilon _{xy}}{\sqrt {\varepsilon _{xx}}}}\right)$

Besonders interessant ist MCD im weichen Röntgenbereich (engl. (soft) x-ray magnetic circular dichroism oder (S)X-MCD), wo die unbesetzte Valenzband-Elektronenstruktur spinaufgelöst gemessen werden kann. Es gibt auch den (viel kleineren) Effekt des magnetischen Lineardichroismus (der übrigens von dem nichtmagnetischen linearen Dichroismus durch Kristallfeldanisotropien zu unterscheiden ist).

Anwendung

Anwendung finden dichroitische Materialien beispielsweise als dichroitische Polarisator. Auch Drahtgitterpolarisatoren werden manchmal als dichroitische Polarisatoren bezeichnet. Sie funktionieren zwar aufgrund polarisationsabhängiger Absorption, jedoch durch eine strukturierte Schicht und nicht durch eine Materialeigenschaft.

Materialbeispiele

Ein typisches dichroitisches Material sind Turmaline, beispielsweise der grüne Tumalin (Verdelith). So wird bei der Transmission von natürlichem Licht durch eine ca. 1 mm dicke Platte aus Verdelith der ordentliche Strahl praktisch vollständig absorbiert, der außerordentliche Strahl wird hingegen nur geschwächt

Es gibt aber auch Körper aus mehreren Materialien, die dichroitisches Verhalten zeigen. So können Nadeln aus schwefelsaurem Jodchinin (Herapathit) in Zellulose eingebettet und als dichroitischer Polarisator (Polarisationsfolie) genutzt werden. In gleicher weise kommen auch dichroitischen Farbstoffe in Kunststoffolien zum Einsatz. Die dazu notwendige einheitliche Ausrichtung der Farbstoffmoleküle wird beispielsweise durch elektrische oder magnetische Feldern erreicht.

Siehe auch

• dichroitischer Filter
• dichroitischer Spiegel
• Extinktion (Optik)
• Transmission (Physik)
• Dichroskop

Literatur

• Herbert Daniel: Physik: Optik, Thermodynamik, Quanten. Walter de Gruyter, 1998, ISBN 978-3-11-014630-1, S. 192. 
• Ludwig Bergmann, Heinz Niedrig, Clemens Schaefer: Optik: Wellen- Und Teilchenoptik. Walter de Gruyter, 2004, ISBN 978-3-11-017081-8, S. 557–559. 

Weblinks

• Mineralienatlas:Dichroismus (Wiki)