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Quantenoptischer Effekt : Laserstrahl hängt in der Möbiusschleife

Optisches Möbiusband: Unten das Modell, oben der entsprechende Verlauf des elektrischen Feldes des Laserstrahls zur Illustration. Bild: University of Rochester

Es geht immer noch etwas komplexer: Zirkular polarisierte Lichtwellen beschreiben eine gewundene Struktur.

          2 Min.

          Möbiusbänder, jene dreidimensionalen Gebilde, bei denen man nicht zwischen Vorder- und Rückseite unterscheiden kann, faszinieren nicht nur Architekten und Künstler. Sie haben auch schon so manchen Chemiker dazu inspiriert, entsprechend verdrehte Moleküle und Kristalle herzustellen. Nun konnten auch Physiker der Versuchung nicht mehr widerstehen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Tübingen haben gemeinsam mit Kollegen von den Universitäten in Neapel, Ottawa und Rochester ein Möbiusband aus purem Licht erzeugt. Dieses erstaunliche Kunststück ist ihnen mit einem speziell polarisierten Laserstrahl gelungen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Das vom Mathematiker und Astronomen August Ferdinand Möbius (1790- 1868) ersonnene Gebilde kann jeder selbst schnell basteln. Man muss lediglich einen längeren Papierstreifen entlang der Längsachse um 180 Grad drehen und dann die beiden Enden zusammenkleben. Setzt man nun einen Stift an und fährt das Band entlang, wird man sofort feststellen, dass es weder Vorder- noch Rückseite hat und scheinbar nur eine Kante besitzt.

          Der Trick mit der rotierenden Polarisation

          Eine echte Herausforderung ist es dagegen, Möbiusbänder mit Lichtstrahlen zu erschaffen. Vor zehn Jahren hatte der israelische Physiker Isaac Freund von der Universität Bar-Ilan berechnet, dass man - mit entsprechender Manipulation - aus zwei sich kreuzenden Laserstrahlen ein Möbiusband erzeugen kann. Voraussetzung ist allerdings, dass die beiden Strahlen entgegengesetzt zirkular polarisiert sind.

          Die Polarisation einer elektromagnetischen Welle wird von der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes bestimmt. Dieses oszilliert in der Ebene senkrecht (transversal) zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle (longitudinale Richtung). Während bei linear polarisiertem Licht das elektrische Feld stets in ein und dieselbe Richtung schwingt, dreht sich bei zirkular polarisierter Strahlung die Schwingungsebene des Feldes entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn, also rechts- oder linksherum. Will man mit polarisierten Lichtstrahlen die gewundene dreidimensionale Struktur eines Möbiusbandes erzeugen, muss man der zirkularen Polarisation eine Komponente in Strahlrichtung verleihen, damit die gewünschte Windung entsteht.

          Optisches Möbiusband. Illustration des Verlaufs der Polarisation in der Brennebene. Das rotierende elektrische Feld spannt eine in sich geschlossene und gewundene Fläche eines Bandes auf.
          Optisches Möbiusband. Illustration des Verlaufs der Polarisation in der Brennebene. Das rotierende elektrische Feld spannt eine in sich geschlossene und gewundene Fläche eines Bandes auf. : Bild: MPI für die Physik des Lichts

          Die Forscher um Thomas Bauer und Peter Banzer haben die Idee von Isaac Freund aufgegriffen. „Allerdings haben wir den Ansatz von Freund so abgewandelt, dass das Möbiusband im Brennpunkt von zwei sich konfokal überlagernden Laserstrahlen entsteht“, erklärt Peter Banzer. Ausgangspunkt des Experiments war ein grüner rechtszirkular polarisierter Laserstrahl, den die Physiker durch eine Linse aus mehreren Flüssigkristallschichten schickten. Diese q-Platte hat die Eigenschaft, auf Knopfdruck die Polarisationsrichtung einer elektromagnetischen Welle umzukehren und deren Phase zu verschieben, wenn man eine elektrische Spannung anlegt.

          Das unsichtbare Möbiusband erscheint

          Auf diese Weise erzeugten die Forscher zwei Laserstrahlen, die unterschiedlich zirkular polarisiert waren. Die Phase des links-zirkular polarisierten Strahls war gegenüber dem rechts-zirkularen Strahl verschoben. Mit einem Mikroskop-Objektiv wurden die beiden Lichtstrahlen schließlich zusammengeführt und stark auf einen Punkt fokussiert. Das Ergebnis: In der Brennebene formte die Polarisation des resultierenden Laserstrahls ein Möbiusband, berichten die Forscher in der Zeitschrift „Science“.

          Die gewundene Möbiusschleife konnten Banzer und seine Kollegen allerdings nicht direkt sehen. Für den Nachweis nutzten sie ein Goldkügelchen, das deutlich kleiner war als die Wellenlänge des grünen Laserstrahls. Diese Sonde wurde auf einer Glasplatte im Brennpunkt des Objektivs plaziert und parallel zur Brennebene des Laserstrahls bewegt. Licht, das auf das Kügelchen fiel, wurde auf charakteristische Weise gestreut.

          Aus dem gewonnenen Streumuster konnten die Forscher die Stärke und den Verlauf der elektrischen Felder und damit der Polarisation in der Brennebene rekonstruieren und die Möbiusschleife identifizieren. Man will nun weitere komplexe optische Strukturen erzeugen. Möglicherweise lassen sich die Möbiusbänder aus Licht in der Materialforschung nutzen, etwa um entsprechend geformte Nanostrukturen herzustellen.

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