Kann Licht wie ein Wirbelwind rotieren? Wissenschaftler der Universität Warschau, der Militärtechnischen Universität und des Institut Pascal CNRS haben mit einem klaren „Ja“ geantwortet und wirbelnde „optische Tornados“ in einer extrem kleinen Struktur erzeugt. Der Fortschritt deutet auf einen neuen Weg hin, miniaturisierte Lichtquellen mit komplexen Formen zu bauen, die einfachere und skalierbarere photonische Geräte für optische Kommunikation und Quantentechnologien ermöglichen könnten.
„Unsere Lösung vereint mehrere Bereiche der Physik, von der Quantenmechanik über die Materialtechnik bis hin zur Optik und Festkörperphysik“, erklärt Prof. Jacek Szczytko von der Universität Warschau, der Leiter der Forschungsgruppe. „Die Inspiration stammt aus Systemen der Atomphysik, in denen Elektronen verschiedene Energiezustände besetzen können. In der Photonik spielen optische Fallen eine ähnliche Rolle, die Licht statt Elektronen einschließen.“ Dr. Marcin Muszyński, Erstautor der Studie von der Universität Warschau und dem City College of New York, ergänzt: „Man kann es sich wie einen optischen Wirbel vorstellen. Die Lichtwelle dreht sich um ihre Achse, und ihre Phase ändert sich spiralförmig. Darüber hinaus beginnt sich sogar die Polarisation – die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes – zu drehen.“
Diese strukturierten Lichtzustände sind attraktiv für Anwendungen wie Quantenkommunikation und die Steuerung mikroskopischer Objekte, aber ihre Erzeugung erforderte bisher komplizierte Nanostrukturen oder große experimentelle Systeme. Das Team wählte eine andere Strategie und verwendete einen Flüssigkristall – ein Material, das wie eine Flüssigkeit fließt, dessen Moleküle sich aber geordnet anordnen, wie ein Kristall. In diesem Material können spezielle Defekte, sogenannte Toronen, entstehen. „Sie kann man sich als fest verdrehte Spiralen vorstellen, ähnlich wie DNA“, erklärt Joanna Mędrzycka, eine Nanotechnologie-Studentin an der Universität Warschau, die zusammen mit Dr. Eva Oton von der Militärtechnischen Universität die Flüssigkristallproben herstellte. „Wenn eine solche Spirale geschlossen wird, indem man ihre Enden zu einem Ring verbindet, der einem Donut ähnelt, erhält man ein Toron.“
Um den Effekt zu verstärken, wurde das Toron in einen optischen Mikroresonator platziert – eine Struktur aus Spiegeln, die Licht wiederholt reflektiert und es eingeschlossen hält. „Dadurch wird das Feld viel stärker“, sagt Dr. Muszyński. „Zusätzlich können wir die Größe der Falle und damit die Eigenschaften des Lichts mit einer externen elektrischen Spannung steuern.“ Das Team erreichte auch etwas Neues: stabile Lichtwirbel im Grundzustand, dem energieärmsten Zustand. „Zum ersten Mal ist es uns gelungen, diesen Effekt im Grundzustand zu erzielen“, erklärt Prof. Guillaume Malpuech von der Université Clermont Auvergne und dem CNRS, der zusammen mit Prof. Dmitry Solnyshkov und Postdoktorand Daniil Bobylev das theoretische Modell entwickelte. „Das ist bedeutsam, weil der Grundzustand der stabilste ist und Energie sich dort am leichtesten ansammelt.“ Um die Laseremission zu bestätigen, führten die Forscher einen Laserfarbstoff ein und erhielten Licht, das rotiert, kohärent ist und eine wohldefinierte Energie und Emissionsrichtung aufweist.
Prof. Dmitry Solnyshkov merkt an: „Interessant ist, dass unser Ansatz von sehr fortgeschrittenen Theorien inspiriert ist, die eine sogenannte vektorielle Ladung beinhalten. In gewisser Weise haben wir es also geschafft, Photonen sich nicht einmal wie Elektronen, sondern wie Quarks verhalten zu lassen.“ Prof. Wiktor Piecek von der Militärtechnischen Universität schließt: „Diese Entdeckung eröffnet einen neuen Weg zur Schaffung miniaturisierter Lichtquellen mit komplexen Strukturen. Anstatt auf komplexe Nanotechnologie angewiesen zu sein, können wir selbstorganisierende Materialien nutzen. In Zukunft könnte dies einfachere und skalierbarere photonische Geräte ermöglichen, zum Beispiel für optische Kommunikation oder Quantentechnologien.“