Magneto-optical Faraday effect in multiple-scattering media

When waves get multiply scattered in 3D random media, a disorder driven phase transition from diffusion to localization can be observed. This phase transition was first predicted by P. W. Anderson for electronic systems [1]. For light waves, this transition was recently measured in 3D by Störzer et al. with time of flight measurements [2] and by Sperling et al. analyzing the 2D transmission profile [3]. While the origin of Anderson localization is claimed to be the interference between time-reversed scattering paths, experimental evidence is still missing. The Faraday effect can be used to destroy time-reversal symmetry in multiple scattering media [4, 5]. To affect light localization by magnetic fields via the Faraday effect, disordered media that show both signs of localization and strong Faraday rotation has to be used. This thesis reports the characterization of a two component material made of a strongly scattering powder (TiO2) and a Faraday active powder (CeF3). The samples were characterized in a speckle interferometer regarding their degree of Faraday rotation. This was done by measuring the decay of the speckle intensity correlation function with increasing magnetic field, and comparing the experimental data with a theoretical description developed by F. Erbacher [6]. A time of flight setup was used to determine their light transport properties, namely the diffusion coefficient and the absorption length, and the disorder parameter was characterized by measuring the coherent backscattering cone. The obtained results lead to the prediction that this two component material can be prepared to show the required properties for observing a magnetic field driven transition from light localization to diffusion. This would be an evidence that the origin of Anderson localization is the constructive interference on time-reversed scattering paths. Deutsche Zusammenfassung In dieser Arbeit geht es um den Lichttransport in vielfachstreuenden, ungeordneten Medien unter Einfluss eines externen Magnetfeldes. Für die Ausbreitung von Licht bzw. im Allgemeinen von Wellen kann in diesen Medien ein Phasenübergang vom diffusiven Transport zur Lokalisierung mit steigendem Maße an Unordnung beobachtet werden. Dieses Phänomen wurde von P. W. Anderson zuerst für Elektronensysteme vorhergesagt [1]. Für Licht konnte dieser Übergang in dreidimensionalen Medien von M. Störzer et al. mit Flugzeitmessungen von Photonen [2] und von T. Sperling et al. mit der Messung des 2D Transmissionsprofiles des Lichts [3] beobachtet werden. Die Ursache der Anderson Lokalisierung ist die Interferenz von zeitumgekehrten Pfaden des Lichts, wobei ein experimenteller Nachweis hierfür bisher nicht geliefert werden konnte. Der magneto-optische Faraday Effekt kann dazu genutzt werden, mittels eines Magnetfeldes, die Zeitumkehrsymmetrie in den Proben zu zerstören [4, 5]. Um den Übergang des Lichttransportes aus dem Regime der Lokalisierung in das diffusive Regime durch Anlegen eines externen Magnetfeldes zu beobachten, müssen die verwendeten Proben daher besondere Anforderungen erfüllen. Zum einen müssen sie stark streuend sein, um so Lokalisierungseffekte zu beobachten, und zum anderen sollten sie stark Faraday aktiv sein, um die Zeitumkehrinvarianz im Magnetfeld zu brechen. Diese Arbeit handelt von Experimenten, in denen Proben aus Mischungen von zwei Pulvern charakterisiert wurden. Die Stärke der Faraday Rotation der Proben wurde dazu mittels eines Speckle-Interferometers über den Zerfall der IntensitätsKreuzkorrelationsfunktion mit steigendem Magnetfeld gemessen. Die Daten konnten mit der Theorie von F. Erbacher [6] quantitativ ausgewertet werden. Die Transporteigenschaften des Lichtes wurden mit Hilfe eines Flugzeitexperimentes der Photonen analysiert und der Grad der Unordnung der Pulvermischungen konnte über Messungen des Rückstreukonuses bestimmt werden. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Messungen, kann geschlussfolgert werden, dass es möglich sein sollte Proben herzustellen, welche die gewünschten Eigenschaften zeigen, um die Ursache der Anderson Lokalisierung von Licht in starken Magnetfeldern zu zerstören. Die Messung des Übergangs von Lokalisierung zum diffusiven Transport, induziert durch ein Magnetfeld, wäre ein experimentellen Nachweis für die Interferenz zeitumgekehrter Pfade als Ursache der Anderson Lokalisierung.