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Freitag, 26.08.2016
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Physiker erzeugen ein Möbius-Band aus Licht

In sich verdrehte Polarisation bildet eine zuvor unbekannte Licht-Topologie

Verdrehtes Licht: Physiker haben erstmals ein Möbius-Band aus Licht erzeugt. Dies gelang ihnen, indem sie die Polarisation eines Laserstrahls mit Hilfe einer speziellen Flüssigkristall-Linse manipulierten. Dadurch bildete die Polarisationsachse eine in sich verdrehte Struktur – ein Möbius-Band. Diese Licht-Topologie war zuvor völlig unbekannt, wie die Forscher im Fachmagazin "Science" berichten.
Ein Möbiusband hat nur eine Seite und eine Kante

Ein Möbiusband hat nur eine Seite und eine Kante

Ein normaler Papierstreifen hat zwei Seiten und zwei Kanten - logisch. Doch wenn man ihn einmal in sich verdreht und dann die Enden zusammenklebt, geschieht etwas Seltsames: Wie durch Zauberhand verliert er eine Seite und eine Kante - er wird zu einem Möbius-Band. Obwohl dieses auf den ersten Blick ganz normal aussieht, besitzt es nur eine Oberfläche und eine Kante, die Innenseite geht in die Außenseite über.

Flüssigkristall verdreht Polarisation


"Ein solches Möbius-Band lässt sich zwar leicht künstlich herstellen, in der Natur aber ist das spontane Auftreten solcher Strukturen extrem selten", erklären Thomas Bauer vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen und seine Kollegen. In einem Experiment haben sie nun bewiesen, dass sich auch das Licht zu einem Möbius-Band verknoten lässt.

Dafür nutzten die Forscher einen zirkular polarisierten Laserstrahl und schickten ihn durch eine spezielle, aus einem Flüssigkristall bestehende Linse. Diese fokussierte den Strahl und veränderte die Polarisation des Lichts so, dass der resultierende Strahl aus einer Überlagerung aus rechts- und linksdrehend polarisiertem Licht bestand. Durch ein Mikroskop-Objektiv geleitet, bildet diese komplexe Polarisation ein Möbius-Band, wenn es auf ein winziges Goldkügelchen trifft.


Neuartige Topologie des Lichts


Wie Aufnahmen mit einer an ein zweites Mikroskop angeschlossene Kamera zeigen, ist die Polarisationsachse dabei im Uhrzeigersinn verdreht. Je nach Eigenschaft des Kristallfilters lassen sich sowohl Verdrehungen von 3/2 als auch von 5/2 erzeugen. "Unser Ergebnisse enthüllen eine verborgene Polarisations-Topologie bei starker Fokussierung, die bisher unbekannt war", berichten Bauer und seine Kollegen.

Bedeutung hat die Entdeckung dieses neuartigen Möbius-Lichts nach Angaben der Forscher zum einen für die Grundlagenforschung zur Optik und zu den Wechselwirkungen von Licht und Materie. Aber auch Anwendungen können sie sich vorstellen. So könnte dieses Licht eingesetzt werden, um Metamaterialien mit exotischen optischen Eigenschaften herzustellen oder Membranen, die nur bestimmte Molekülformen durchlassen. (Science, 2015; doi: 10.1126/science.1260635)
(Science, 30.01.2015 - NPO)
 
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