Physiker haben einen neuen Lichtzustand nachgewiesen - einen wirbelnden Strahlungspuls, dessen Bahndrehimpuls sich mit der Zeit ändert. So ist es den Wissenschaftlern gelungen, den bisher ungenutzten Freiheitsgrad der elektromagnetischen Strahlung zu nutzen. Möglicherweise sei es mit Hilfe solcher Pulse möglich, Materie auf der räumlichen Nanometer- und der Attosekunden-Zeitskala zu untersuchen, schreiben die Autoren in der Zeitschrift Science, eine Illustration aus dem Artikel schaffte es auf das Titelblatt der Ausgabe.
Die einfachste elektromagnetische Welle ist durch Größen wie Frequenz (Wellenlänge), Intensität und Polarisation gekennzeichnet. Im Jahr 1992 zeigten Physiker jedoch, dass es möglich ist, einen neuen Lichtzustand zu erzeugen, der als Wirbel bekannt wurde. Es zeichnet sich durch das Vorhandensein eines Bahndrehimpulses aus, wodurch die Wellenfront, dh die Oberfläche der gleichen Phase, spiralförmig ähnlich einer Spirale wird, während auf der Ausbreitungsachse selbst die Lichtintensität beträgt Null. Gleichzeitig sind die Fronten bei einer gewöhnlichen ebenen Welle aufeinander folgende Ebenen und bei einer Kugelwelle konzentrische Kugeln.
Wirbelndes Licht ist zusätzlich zu der Energie und dem Impuls, die von jeder Strahlung getragen werden, auch mit Bahndrehimpuls ausgestattet. Wenn solches Licht vom Körper absorbiert wird, beginnt es sich daher um seine Achse zu drehen. Dank dieser Eigenschaft kann Licht neue Interaktionsmodi mit Materie ermöglichen, das Verhalten von Objekten im Nanobereich steuern und die Auflösung der optischen Mikroskopie erhöhen. Es ist auch möglich, verdrillte Zustände anderer Teilchen, wie beispielsweise Elektronen, zu erzeugen.
Eines der Hauptmerkmale des Wirbelns ist die erhöhte Informationskapazität im Vergleich zu anderen Lichteigenschaften. Während es einen maximalen Polarisationsgrad gibt, kann die Verdrehung theoretisch mit zwei Richtungen beliebig groß sein. Dadurch ist es möglich, die durch Licht übertragene Informationsdichte zu erhöhen, ohne andere Parameter zu ändern, dh ohne den Frequenzbereich zu erweitern.
Alle zuvor erzeugten Lichtstrahlen hatten jedoch eine ständige Drehung. Physiker der University of Salamanca (Spanien), des Barcelona Institute of Science and Technology und der University of Colorado at Boulder (USA) unter der Leitung von Laura Rego demonstrierten erstmals die Möglichkeit, Licht mit einem zeitlich veränderlichen Wirbel zu erzeugen. Das resultierende Bündel wird entweder stärker verwirbelt, wenn es sich bewegt, oder umgekehrt nimmt der Wirbel allmählich ab.
Die Autoren haben einen Weg gefunden, einen neuen Lichtzustand zu erzeugen, indem sie den Effekt der Erzeugung von Oberwellen höherer Ordnung nutzen. Dieses Phänomen der nichtlinearen Optik ist mit der spezifischen Wechselwirkung mehrerer starker optischer Strahlungsimpulse in einigen Medien (meist verdünnte Gase) verbunden. Als Ergebnis der Wechselwirkung in einem solchen Regime entstehen neue Pulse, und die Energie der Photonen in ihnen ist um ein Vielfaches höher als die der ursprünglichen - es treten hohe ungerade Harmonische auf.
Physiker entwickelten zunächst ein theoretisches Modell des Prozesses und setzten es dann experimentell um, indem sie Infrarot-Laserpulspaare mit unterschiedlichem konstanten Drall verwendeten. Sie trafen mit einer geringen relativen Verzögerung auf ein Argongasziel, was zur Erzeugung von ultravioletten Strahlungspulsen mit zeitlich veränderlicher Verwirbelung führte. Dies liegt an der Eigenschaft, Oberwellen höherer Ordnung auf Basis verdrillter Strahlen zu erzeugen, da die Verdrillung der Ausgangsimpulse im Verhältnis zur Oberwellenzahl höher ist. Wenn also am Eingang Pulse mit den Twists 1 und 2 vorhanden sind, dann ändert sich beispielsweise bei der 17. die Zeitverzögerung.
Schematische Darstellung des Erhaltens eines Pulses mit dynamischer Verdrillung während der Erzeugung von Oberwellen höherer Ordnung
Bei der Registrierung der empfangenen Pulse stellte sich als Hauptschwierigkeit die Bestimmung des dynamischen Twists heraus, da die Pulse selbst nur etwa 50 Femtosekunden dauerten. Als Ergebnis identifizierten die Autoren ein Merkmal in der Ortsfrequenzverteilung, das nur für Lichtstrahlen mit der gewünschten Eigenschaft charakteristisch ist. Es stellte sich heraus, dass die erhaltenen Daten sehr gut mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmten. Die Autoren stellen fest, dass die erhaltenen Pulse Parameter haben, die den natürlichen zeitlichen und räumlichen Skalen der Dynamik von Spins und Ladungen in Materie entsprechen, d. h. in der Größenordnung von Femtosekunden und Nanometern.
Ein weiterer Effekt der nichtlinearen Optik, der ebenfalls mit der Erzeugung von Strahlung auf der Grundlage zeitverzögerter Pulse verbunden ist, wurde kürzlich von Wissenschaftlern genutzt, um rekordverdächtige Hochleistungspulse von Terahertz-Strahlung zu erzeugen. Bisher wurde das verdrillte Licht über eine Rekorddistanz durch die Luft übertragen, einzelne verdrillte Photonen nach der radialen Quantenzahl sortiert und das Licht superstarker Laser mit Plasmahologrammen verdrillt.
