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30.09.2013

Die Erfindung des Lichtrades

Eine neue Form von Lichtwellen erweitert die Möglichkeiten in Biologie, Physik und Nanotechnik


Der Drehimpuls eines massiven Objekts kann entweder parallel (longitudinal) oder senkrecht (transversal) zur Ausbreitungsrichtung orientiert sein. So besitzt z.B. ein rotierender Propeller eines fliegenden Flugzeugs einen longitudinalen Drehimpuls, während das sich drehende Rad eines rollenden Fahrrades transversalen Drehimpuls aufweist. Betrachtet man hingegen ein masseloses Wellensystem, so scheint die Situation weniger vielseitig zu sein. So können z.B. Photonen zwei Varianten von Drehimpuls mit sich führen: Spin-Drehimpuls, der im Zusammenhang mit der Polarisation steht, sowie Bahndrehimpuls, welcher in Verbindung mit der Phasenfront des Lichtfeldes zu betrachten ist.  Beide sind allerdings rein longitudinal orientiert. In Bezug auf Drehimpuls ähnelt Licht also eher einem Propeller als einem Rad.

Kürzlich gelang uns die Demonstration eines neuartigen Zustands des Lichts mit rein transversalem Drehimpuls, ein photonisches Rad (photonic wheel), in Analogie zu einem rollenden Rad eines Fahrrades. Wir erzeugen diesen Zustand des Lichts durch starke Fokussierung eines Lichtstrahls mit definierter Verteilung von Spin-Drehimpuls in dessen Querschnitt und testen dessen Existenz experimentell mit Hilfe einer speziellen Nanosondierungsmethode. Dieser Zustand des Lichts bietet z.B. die bemerkenswerte und einzigartige Möglichkeit, ein mikro- oder nanoskopisches Teilchen auf einem Substrat unter senkrechter Beleuchtung in eine Rollbewegung zu versetzen. In Kombination mit konventionellen Lichtmoden ermöglicht dieses neu entdeckte photonische Rad eine volle Rotationskontrolle von in optischen Pinzetten gefangenen Teilchen. Ferner erlaubt es die Realisierung neuer Anwendungen im Bereich der Quanten- und Nanooptik.

Kontakt: Peter Banzer (InMik)
peter.banzer@mpl.mpg.de

- Publikation:J. Europ. Opt. Soc. Rapid Pub. 8, 13032 (2013)
Nature Photonics Research Highlight
MPG-Pressebericht