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Neuartige „Rauchringe“ aus Licht

Physiker erzeugen maßgeschneidert formbare Doughnut-Strukturen im Laserstrahl

Hopfion
Licht kann zu verwundenen topologischen Strukturen ähnlich einem Rauchring geformt werden. © Y. Shen und Z. Zhu.

Manipuliertes Licht: Physiker haben neuartige 3D-Strukturen aus Licht erzeugt – photonische Hopfionen. Dabei handelt es sich um topologische Gebilde, in denen das Licht eine Art Doughnut oder Rauchring bildet. Das Team beschreibt die frei im Laserstrahl schwebenden Ringe als dreidimensionale photonische Variante von Skyrmionen – exotischen Magnetwirbeln in Feststoffen. Die kontrolliert formbaren Hopfionen aus Licht könnten neue physikalische Einsichten und Anwendungen ermöglichen.

Ob Skyrmionen, Quantenknoten oder Ringe aus Licht: Elektromagnetische und quantenphysikalische Effekte können exotische Gebilde hervorbringen. Solche topologischen Phänomene zeigen ungewöhnliche elektrische und magnetische Merkmale und können sich ähnlich wie Quasiteilchen verhalten. In kristallinen Feststoffen gelten solche Gebilde daher als vielversprechende Kandidaten unter anderem für Datenspeicher und Quanten-Anwendungen.

Doch auch mit Licht lassen sich solche topologischen Strukturen erzeugen. Diese dreidimensionalen Gebilde entstehen durch lokale Verformungen der Polarisation und/oder Phase der Lichtwellen. Das Licht bildet dadurch lokale Wellenpakete, die Ringen oder Schrauben ähneln. Eine Energiebarriere sorgt dafür, dass diese auch als Soliton bezeichneten Strukturen stabil bleiben. Sie bewegen sich als Ganzes mit dem Lichtstrahl mit.

Lichtringe
Verschiedene Varianten von photonischen Hopfionen. © Shen et al./ Advanced Photonics, doi: 10.1117/1.AP.5.1.015001, CC-by 4.0

Maßgeschneiderte Doughnuts aus Licht

Eine spezielle Form solcher topologischen Solitonen haben nun Yijie Shen von der University of Southampton und seine Kollegen erzeugt und beschrieben. Dabei handelt es sich um eine Art „Rauchringe“ aus Licht, die aus einem torusförmig in sich verwundenen Polarisationsmuster der Lichtwellen gebildet werden. Dem Team gelang es, diese sogenannten photonischen Hopfionen frei im Laserstrahl schwebend zu erzeugen. Form und Windung dieser Gebilde ließen sich zudem kontrolliert verändern.

„Wir berichten über eine neue, sehr ungewöhnliche Familie von dreidimensionalen topologischen Solitonen aus Licht – die photonischen Hopfionen“, sagt Shen. „Ihre topologischen Texturen und Kennzahlen können frei und unabhängig eingestellt werden – weit über die bislang beschriebenen Topologien mit niedriger Ordnung und fester Textur hinaus.“

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Potenzial für verschiedenen Anwendungen

Nach Ansicht der Forscher hat die Fähigkeit, solche photonischen Gebilde maßgeschneidert zu formen und zu kontrollieren, großes Potenzial. So könnten die Licht-Doughnuts als Informationsträger in der optischen Datenübertragung eingesetzt werden oder auch in Quantentechnologien. „Unserer Ergebnisse illustrieren die immense Schönheit und das Potenzial von Strukturen aus Licht, sagt Seniorautor Anatoly Zayats vom King’s College London.

„Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse weitere Forschung zu solchen topologisch stabilisierten Licht-Konfigurationen anstößt – auch im Hinblick auf ihre Anwendung in der optischen Kommunikation, bei Licht-Materie-Interaktionen, neuen Formen der Mikroskopie und der Metrologie“, sagt Zayats. (Advanced Photonics, 2023; doi: 10.1117/1.AP.5.1.015001)

Quelle: SPIE–International Society for Optics and Photonics

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