Physiker berichten über optisches Analogon zur Kármánschen Wirbelstraße

In einer Studie veröffentlicht In Naturkommunikationhaben kooperierende Physiker aus Singapur und Großbritannien ein optisches Analogon der Kármánschen Wirbelstraße (KVS) vorgestellt. Dieser optische KVS-Puls offenbart faszinierende Parallelen zwischen Flüssigkeitstransport und Energiefluss von strukturiertem Licht.

Yijie Shen, der leitende Autor der Studie von der Nanyang Technological University, sagt: „Wir führen einen Typ von Lichtimpuls ein, dessen Feldstruktur eine faszinierende Ähnlichkeit mit einer von Kármánschen Wirbelstraße aufweist, einem Muster wirbelnder Wirbel, das in der Fluid- und Gasdynamik beobachtet wird und für das ‚Singen‘ hängender Telefonleitungen im Wind verantwortlich ist. Das strukturierte Licht weist eine robuste topologische Struktur von Skyrmionen in Kondensatormaterie auf.

„Im Gegensatz zu früheren Arbeiten über optische Skyrmionenstrahlen und -impulse ist die Skyrmionenfeldkonfiguration in nichtbeugenden supertoroidalen Impulsen (NDSTPs) nicht durch Beugung begrenzt und bleibt bei der Ausbreitung über beliebige Entfernungen bestehen. Wir gehen davon aus, dass NDSTPs potenzielle Anwendungen wie Licht-Materie-Wechselwirkungen, hochauflösende Mikroskopie und Messtechnik inspirieren werden.“

Skyrmionen, hochentwickelte topologische Teilchen, die ursprünglich 1962 von Tony Skyrme als einheitliches Modell des Nukleons vorgeschlagen wurden, verhalten sich wie magnetische Wirbel im Nanomaßstab mit spektakulären Texturen. Bis heute sind alle bekannten optischen Skyrmionen im freien Raum, die sich nicht ausbreiten oder nur um den Fokus herum existieren, bei der Ausbreitung rasch zusammengebrochen.

Da sich die in diesem Artikel vorgestellten Lichtimpulse während der Ausbreitung nicht ausbreiten, können solche skyrmionischen Feldstrukturen bei der Ausbreitung des KVS-Impulses bestehen bleiben. Der Impuls ermöglicht das Studium der Ausbreitungsdynamik elektromagnetischer skyrmionischer Felder und wird als gerichteter Energiekanal für Anwendungen zur Informationsübertragung von Interesse sein.

Die Analogie zwischen KVS in Flüssigkeitsströmungen und dem Impuls kann weiter vertieft werden, indem man beispielsweise die Bewegung von Elektronen entlang der Wirbelstraßen eines transversalen magnetischen Impulses oder die Ausbreitung der Impulse in nichtlinearen Medien betrachtet.

„Wir glauben, dass die tief unter der Wellenlänge liegenden Singularitäten dieser Impulse in der Messtechnik Anwendung finden können und für diejenigen von Interesse sein könnten, die die Spektroskopie toroidaler Anregungen in Materie studieren. Darüber hinaus könnten die Impulse für die Übertragung von Informationen über große Entfernungen genutzt werden, die in den topologischen Merkmalen der Impulse kodiert sind, mit potenziellen Anwendungen in der Telekommunikation, Fernerkundung und LiDAR“, sagen die Autoren.

Das KVS, ein klassisches Strömungsmuster aus wirbelnden Wirbeln, ist hoch organisiert und besteht typischerweise aus zwei Wirbelfolgen, eine auf jeder Seite des Körpers, mit Zirkulationen mit entgegengesetztem Vorzeichen und ist berühmt für seine ästhetische Schönheit und enorme Kraft.

Im Museum der Kirche St. Dominikus in Bologna, Italien, gibt es ein Gemälde, das den heiligen Christophorus zeigt, wie er das Jesuskind über einen Fluss trägt. Der Maler hat ineinander verschlungene Wirbel hinter Christophs nackten Füßen dargestellt. Theodore von Kármán erklärte, dass seine Forschungen zu Wirbelstraßen von diesem Gemälde inspiriert wurden. Dies stellt eine faszinierende Schnittstelle zwischen Natur- und Geisteswissenschaften dar.

Im Jahr 1940 wurde eine Hängebrücke namens Tacoma Narrow Bridge, die in nur vier Monaten fertiggestellt worden war, beschädigt. Die durch ihre falsche Konstruktion entstandenen Wirbelstraßen führten zu Vibrationen und Resonanz. Bei diesem Ereignis wurde der Menschheit zum ersten Mal die enorme Kraft des KVS bewusst.