Filamente, die sich im Nanomaßstab kräuseln, erzeugen Lichtwellen, die sich drehen, während sie sich fortbewegen

Forscher der University of Michigan haben gezeigt, dass mit einer Technologie ähnlich einer Edison-Glühbirne helles, verdrehtes Licht erzeugt werden kann. Die Entdeckung verleiht der Grundlagenphysik neue Nuancen und bietet gleichzeitig einen neuen Weg für robotische Bildverarbeitungssysteme und andere Anwendungen für Licht, das eine Helix im Raum nachzeichnet.

„Es ist schwierig, genügend Helligkeit zu erzeugen, wenn man verdrehtes Licht mit traditionellen Methoden wie Elektronen- oder Photonenlumineszenz erzeugt“, sagte Jun Lu, außerordentlicher Forschungsforscher im Chemieingenieurwesen an der UM und Erstautor des Buches Studie auf dem Cover dieser Woche Wissenschaft.

„Nach und nach stellten wir fest, dass wir tatsächlich über eine sehr alte Methode zur Erzeugung dieser Photonen verfügen – nicht auf der Grundlage von Photonen- und Elektronenanregungen, sondern wie bei der Glühbirne, die Edison entwickelt hat.“

Jedes Objekt mit Wärme, auch Sie selbst, sendet ständig Photonen (Lichtteilchen) in einem Spektrum aus, das von seiner Temperatur abhängt. Wenn das Objekt die gleiche Temperatur wie seine Umgebung hat, absorbiert es auch eine entsprechende Menge an Photonen – dies wird idealerweise als „Schwarzkörperstrahlung“ bezeichnet, da die Farbe Schwarz alle Photonenfrequenzen absorbiert.

Während der Glühfaden einer Wolframglühbirne viel wärmer ist als seine Umgebung, bietet das Gesetz zur Definition der Schwarzkörperstrahlung – das Plancksche Gesetz – eine gute Annäherung an das Spektrum der von ihm ausgesendeten Photonen. Insgesamt sehen die sichtbaren Photonen wie weißes Licht aus, aber wenn man das Licht durch ein Prisma schickt, kann man darin den Regenbogen verschiedener Photonen sehen.

Diese Strahlung ist auch der Grund dafür, dass Sie auf einem Wärmebild hell erscheinen, aber selbst Objekte, die Raumtemperatur haben, senden und empfangen ständig Schwarzkörperphotonen, wodurch sie ebenfalls schwach sichtbar sind.

Typischerweise wird die Form des Objekts, das die Strahlung aussendet, nicht groß berücksichtigt – für die meisten Zwecke (wie so oft in der Physik) kann man sich das Objekt als Kugel vorstellen. Aber während die Form das Wellenlängenspektrum der verschiedenen Photonen nicht beeinflusst, kann sie eine andere Eigenschaft beeinflussen: ihre Polarisation.

Normalerweise sind Photonen von einer Schwarzkörperquelle zufällig polarisiert – ihre Wellen können entlang jeder Achse schwingen. Die neue Studie ergab, dass die Schwarzkörperstrahlung ebenfalls verdreht wäre, wenn der Emitter im Mikro- oder Nanomaßstab verdreht wäre, wobei die Länge jeder Verdrehung der Wellenlänge des emittierten Lichts ähnelte. Die Stärke der Verdrehung des Lichts bzw. seiner elliptischen Polarisation hing von zwei Hauptfaktoren ab: wie nahe die Wellenlänge des Photons an der Länge jeder Verdrehung lag und von den elektronischen Eigenschaften des Materials – in diesem Fall Nanokohlenstoff oder Metall.

Verdrehtes Licht wird auch „chiral“ genannt, da die Drehungen im und gegen den Uhrzeigersinn Spiegelbilder voneinander sind. Die Studie wurde durchgeführt, um die Prämisse eines eher angewandten Projekts zu demonstrieren, das das Michigan-Team verfolgen möchte: die Verwendung chiraler Schwarzkörperstrahlung zur Identifizierung von Objekten. Sie stellen sich Roboter und selbstfahrende Autos vor, die wie Fangschreckenkrebse sehen können und zwischen Lichtwellen mit unterschiedlichen Wirbelrichtungen und Verdrehungsgraden unterscheiden können.

„Die Fortschritte in der Physik der Schwarzkörperstrahlung durch chirale Nanostrukturen stehen im Mittelpunkt dieser Studie. Solche Emitter gibt es überall um uns herum“, sagte Nicholas Kotov, Irving Langmuir Distinguished Professor of Chemical Sciences and Engineering und Direktor des NSF Center of Complex Particles and Particle Systems (COMPASS) und korrespondierender Autor der Studie.

„Diese Erkenntnisse könnten zum Beispiel für ein autonomes Fahrzeug wichtig sein, um den Unterschied zwischen einem Hirsch und einem Menschen zu erkennen, die Licht mit ähnlichen Wellenlängen, aber unterschiedlicher Helizität aussenden, weil Hirschfell eine andere Locke hat als unser Stoff.“

Während die Helligkeit der Hauptvorteil dieser Methode zur Erzeugung von verdrehtem Licht ist – bis zu 100-mal heller als bei anderen Ansätzen – umfasst das Licht ein breites Spektrum sowohl an Wellenlängen als auch an Verdrehungen. Das Team hat Ideen, wie dieses Problem angegangen werden kann, und untersucht unter anderem die Möglichkeit, einen Laser zu bauen, der auf verdrehten lichtemittierenden Strukturen basiert.

Kotov möchte auch das Infrarotspektrum weiter erforschen. Die Spitzenwellenlänge der Schwarzkörperstrahlung beträgt bei Raumtemperatur etwa 10.000 Nanometer oder 0,01 Millimeter.

„Dies ist ein Bereich des Spektrums mit viel Rauschen, aber es könnte möglich sein, den Kontrast durch ihre elliptische Polarisation zu verbessern“, sagte Kotov.

Kotov ist außerdem Joseph B. und Florence V. Cejka-Professor für Ingenieurwissenschaften, Professor für makromolekulare Wissenschaft und Technik und Mitglied des Biointerfaces Institute der UM. Lu ist neuer Assistenzprofessor für Chemie und Physik an der National University of Singapore.

Das Gerät wurde im COMPASS Lab im North Campus Research Complex der UM gebaut und am Michigan Center for Materials Characterization untersucht.