Wissenschaftler wirbeln flüssiges Licht in zeitperiodische Cluster

Forscher von Skoltech, der University of Iceland und der University of Southampton haben die Bildung einer seltsamen, nie zuvor gesehenen Entität aus dem Bereich der Quantenphysik demonstriert: eine Ansammlung optischer Wirbel mit periodischem Ladungswechsel. Grundlegende Studien zu optischen Wirbeln versprechen Anwendungen in der optischen Mikroskopie, Quantenkryptographie, optischer Kommunikation mit erweiterter Bandbreite, analoger Berechnung und optischer Pinzettentechnologie. Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung und auf dem Cover der Ausgabe abgebildet.

Ein optischer Wirbel ist Licht, das spiralförmig um seine Ausbreitungsachse gedreht ist. Auf eine ebene Fläche projiziert erscheint es als Ring mit einem dunklen Fleck in der Mitte. Ein Wirbel hat eine sogenannte topologische Ladung, die Sie sich als Zahl vorstellen können, die angibt, wie schnell und in welche Richtung er sich dreht.

Die jüngste Studie berichtet, wie es ihren Autoren gelang, vier solcher Wirbel als Cluster zu induzieren und feststellte, dass sich ihre Ladungen regelmäßig änderten und mit einer Periode von einer fünftel Nanosekunde wechselten. Während optische Wirbelcluster oder -gitter schon früher beobachtet wurden, wird zum ersten Mal über solch schnelle Ladungsschwingungen berichtet.

Was optische Wirbel interessant macht

Optische Wirbel als solche bieten eine faszinierende Möglichkeit, die Bandbreitenbegrenzung von faseroptischen Kommunikationsleitungen zu überwinden. Es gibt nur eine begrenzte Anzahl von Übertragungskanälen, die Sie in eine Glasfaser packen können, was bedeutet, dass die Bandbreite begrenzt ist. Allerdings könnten zwei Wirbel selbst bei derselben Lichtwellenlänge durch ihre Ladung unterschieden werden, so dass sie gewissermaßen unterschiedliche Kanäle besetzen. Eine solche Kanal-„Multiplikation“ ist als Multiplexing bekannt.

Eine weitere spannende Anwendung sind optische Pinzetten. Dies sind speziell präparierte Laserstrahlen zum Halten oder Manipulieren mikroskopischer Objekte wie Atome, Nanopartikel oder sogar biologischer Zellen. Diese Pinzettentechnologie, die seit den 1980er Jahren verwendet wird, könnte durch optische Wirbel verbessert werden, die es ermöglichen würden, ein Objekt in einem Lichtring einzufangen und es dank der rotierenden Natur des Wirbels zu drehen.

Wie man einen optischen Wirbelcluster mit periodischem Ladungswechsel erzeugt

Die Experimente wurden im Hybrid Photonics Laboratory von Skoltech unter der Leitung von Professor Pavlos Lagoudakis, dem Vizepräsidenten für Photonik des Instituts, durchgeführt. Die Wirbel in der Studie wurden in einem System erzeugt, das als Mikrokavitäts-Exziton-Polaritonen bekannt ist.

In den Experimenten verwendeten die Forscher eine Halbleiter-Mikrokavitätsstruktur – zwei hochreflektierende eng beabstandete Spiegel mit dazwischen angeordneten Quantentöpfen. Dies ermöglicht die Lichtlokalisierung und starke Wechselwirkung mit dem Halbleitermedium, wodurch Quasiteilchen entstehen, die als Polaritonen bezeichnet werden – gekoppelte Zustände der Elektronen und Löcher im Material und der Photonen im einfallenden Laserstrahl.

„Der Haken war, dass wir sicherstellen mussten, dass die Ladung jedes Wirbels zunächst zufällig war und sich gemäß den quantendynamischen Regeln des Kondensats frei entwickeln würde. Das bedeutet, dass das System seine Wirbel spontan selbst anordnen würde, was ein emergentes Verhalten impliziert. Also Wir könnten nicht einfach mit einem Laser ein Wirbelgitter in unser System einprägen, denn das würde Wirbel mit bekannten Ladungen erzeugen und jegliche Spontaneität beseitigen“, sagte der Erstautor der Veröffentlichung, Skoltech Ph.D. Student Kirill Sitnik, kommentierte.

„Wir haben Polaritonen mit einem ringförmigen Laserstrahl angeregt. Bei der kritischen Anregungsleistung lokalisierten sich einige der Polaritonen in einer optisch induzierten effektiven Falle und besetzten eine Überlagerung von makroskopisch quantisierten Zuständen mit selbstorganisierten Wirbeln, die periodisch oszillieren“, sagte der sagte PI Pavlos Lagoudakis der Studie.