Ein Möbiusband aus Licht – Photonische “Flüstergalerie” zwingt Licht auf eine verdrehte Bahn

Verdrehtes Licht: Physiker haben einen Lichtstrahl zu einem Möbiusband verformt – einem verdrehten Band, dessen Kanten ineinander übergehen. Möglich wurde dies durch eine Art „Flüstergalerie“ für das Licht. Es besteht aus einem ringförmigen Wellenleiter, in dem sich eine ungerade Anzahl kleiner Kugeln dreht und die Lichtwellen bremst. Diese neue Art der Lichtmanipulation könnte in photonischen Chips, der Quantentechnologie und anderen optischen Technologien nützlich sein.

Ob Datenübertragung, Antrieb von Nanomotoren oder Grundlage von Quantentechnologien und photonischen Chips: Die Manipulation von Licht bildet die Basis vieler moderner Technologien. Meist werden photonische Kristalle oder Metamaterialien verwendet, die durch physikalische Wechselwirkung die Polarisation und Phase von Lichtwellen verändern. Durch den Einsatz solcher Materialien kann Licht sogar verlangsamt, gestoppt und gespeichert werden.

Flüstergalerie als Vorbild

Einem Team um Mingkang Wang vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) ist nun eine neue Form der Lichtmanipulation gelungen. Sie bauten einen Wellenleiter, der einen Lichtstrahl zu einem Möbius-Streifen verdrehen kann – einem Streifen, dessen Seiten miteinander verschmelzen. Die Phasen des Lichts werden verschoben und gedreht, sodass der Strahl zwei vollständige Umlaufbahnen absolvieren muss, bevor er zu seiner ursprünglichen Konfiguration zurückkehrt.

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Das Prinzip der akustischen Flüstergalerien gab den Anstoß zu neuartigen Wellenleitern. In solchen Bögen oder Rundbauten werden die Schallwellen gebrochen und an den Wänden entlang reflektiert, sodass sie fast verlustfrei das andere Ende erreichen – selbst das leiseste Flüstern ist von der anderen Seite des Raumes zu hören. Ein ähnlicher Effekt lässt sich mit Licht erzielen, wenn es auf speziell gekrümmte Flächen gelenkt wird.

In solchen optischen Flüstergalerien konnten bisher nur Wellen mit vollem Drehimpuls erzeugt werden. Dadurch kehrte die Lichtwelle nach Umrundung einer ringförmigen Flüstergalerie in ihren Ausgangszustand zurück.

Manipulation von Wellenphasen

Doch der von Wang und seinem Team entwickelte Wellenleiter kann noch mehr: Erstmals ermöglicht er es, Licht in exotischere Formen zu bringen, bei denen die Phasen erst nach zwei oder mehr Runden wieder übereinstimmen. Im physikalischen Sinne kann die optische Flüstergalerie dem Licht auch Bruchwerte des Drehimpulses aufschreiben. „Auf diese Weise erzeugen wir zum ersten Mal Licht in Form eines Möbiusbandes“, sagt Co-Autor Xiyuan Lu von NIST.

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Struktur
Das Geheimnis des photonischen Wellenleiters liegt in den winzigen Spitzen im Inneren. © M. Wang et al./Phys.Rev.Lett., doi:10.1103/PhysRevLett.129.186101

Möglich wird diese Manipulation durch die spezielle Struktur des photonischen Kristalls aus Siliziumnitrid-Halbleitermaterial. Diese bildet einen Ring von 25 Mikrometern Durchmesser, in dessen Inneres winzige Erhebungen geätzt sind. Die Nanostruktur beeinflusst die Wechselwirkung von Licht mit dem Material und verlangsamt den Lichtstrahl um das Zehnfache. Anders als bei anderen Ansätzen werde die Intensität des einfallenden Lichts kaum reduziert, berichten die Physiker.

Eine ungerade Anzahl von Noppen zwingt das Licht zu einem exotischen Twist

Der Clou ist jedoch, dass, wenn der ringförmige Wellenleiter eine ungerade Anzahl von Kugeln enthält, dann gebrochene Zahlen des optischen Impulsimpulses erzeugt werden können. Phase und Richtung des Lichts ändern sich, sodass die Welle nach einer Umdrehung noch nicht wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückgekehrt ist. „In diesem Flüstergalerie-Modus muss das Licht also zwei Runden absolvieren, bevor die Phase wieder passt“, erklären Wang und sein Team.

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In dem Experiment verwendeten die Physiker einen Ring mit 333 Mikronoppen im Inneren und verwendeten Wellenleiter, die in den photonischen Chip integriert waren, um das Licht einzuspeisen. Die wenigen aus dem Ring freigesetzten Photonen erzeugten entlang des Rings ein Muster aus hellen und dunklen Flecken, das die Phase und Richtung der Lichtwelle verriet. Als Ergebnis betrug der Gesamtdrehimpuls des Lichts im Ring N/2, berichten Wang und seine Kollegen.

Neue Anwendungsmöglichkeiten

Diese Lichtmanipulation eröffnet den Physikern zufolge neue Möglichkeiten für Anwendungen der Photonik, sowohl in der Quantentechnologie, der Optomechanik als auch in der nichtlinearen Photonik. Darüber hinaus kann ihr Wellenleiter im Gegensatz zu früheren Ansätzen zur Erzeugung exotischer Lichtmoden gut in standardmäßige photonische Chips integriert werden, was die praktische Anwendung vereinfacht. (Physical Review Letters, 2022; doi:10.1103/PhysRevLett.129.186101)

Quelle: American Physical Society (APS)

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