Keine Magie: Verknotetes Licht

Mit einem Hologramm haben britische Physiker Kleeblätter geformt.

Von Rainer Scharf

Den Versuch, einen Knoten in eine Lichtwelle zu machen, könnte man zunächst für einen Schildbürgerstreich halten. Doch mit Hilfe von Hologrammen lässt sich das Licht tatsächlich in ungewöhnliche Formen bringen. Ein Beispiel dafür sind linienartige Störungen in Lichtwellen, die den sogenannten Schraubenversetzungen in Kristallen ähneln. Das hatte der britische Physiker Michael Berry schon 1973 erkannt. Bei Experimenten mit Laserlicht, das von einer rauhen Oberfläche reflektiert wurde, haben Forscher um Miles Padgett von der University of Glasgow vor zwei Jahren solche dunklen, linienförmigen Störungen beobachtet, die zu Schlaufen geschlossen waren. In diese Schlaufen haben sie jetzt mit computergesteuerten Hologrammen Knoten gemacht.

Die Störungslinien, aus denen solche Lichtknoten bestehen, treten zum Beispiel auf, wenn sich drei gleichfarbige Lichtwellen mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen überlagern. Dabei interferieren die Wellen miteinander und bilden eine schraubenförmige Welle, die sich in einem dunklen Umfeld bewegt. Die Schraubenachse selbst stellt sich sogar als absolut dunkle Linie dar. Die Existenz dieser Störungslinie ist an die Schraubenbewegung gekoppelt und kann deshalb irgendwo im leeren Raum beginnen oder enden. Das lässt die Möglichkeit offen, dass sich die Linie zu einer ringförmigen Schlaufe schließt, die in sich verknotet ist.

Um einzelne dunkle Schlaufen zu bilden, die in gewünschter Weise verknotet sind, haben Padgett und seine Kollegen einen Laserstrahl auf einen Lichtwellenmodulator gerichtet. Der Modulator bestand aus einer Flüssigkristallschicht, wie man sie bei digitalen Anzeigeelementen benutzt. Mit einer elektronischen Steuerung konnten die Flüssigkristalle unterschiedlich ausgerichtet werden, so dass ein kompliziertes, mikroskopisch feines Muster entstand. Wie ein Hologramm formte dieses Muster die Wellenfronten des Laserlichts. Je nach Ausrichtung der Kristalle wurde das Licht bei der Reflexion unterschiedlich stark verzögert. Dadurch wurden die ebenen Wellenfronten der einfallenden Lichtwelle verbogen. Aus ihr entstanden zahlreiche Teilwellen, die sich überlagerten und miteinander interferierten.

Das räumliche Hell-Dunkel-Muster, das durch Interferenz entstand, registrierten die Forscher mit einer Kamera, die sie in kleinen Schritten durch das Lichtfeld bewegten, wobei sie zahlreiche Aufnahmen machten. Anschließend verglichen sie das Muster mit dem berechneten Hell-Dunkel-Muster eines Lichtfeldes, das in der gewünschten Weise verknotet war. Diesem Ideal näherten sie sich schrittweise an. Dazu änderten sie die Einstellungen des Lichtmodulators geringfügig und in zufälliger Weise. Dann überprüften sie, ob die Änderungen weiter vom Ziel weg oder näher zu ihm hin führten. Im ersten Fall verwarfen sie die Änderungen, im zweiten Fall nahmen sie die neuen Einstellungen des Lichtmodulators als Ausgangspunkt für den nächsten Optimierungsschritt.

Mit diesem evolutionären Verfahren haben die Forscher nahezu perfekt geformte Knoten in die dunklen Schlaufen des Lichtfeldes gemacht. Das berichten sie in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature Physics". Zu Beginn stellten sie einen möglichst einfachen Knoten her, der die Form eines dreiblättrigen Kleeblatts hatte. Doch später sind ihnen auch kompliziertere Exemplare wie ein Knoten, der einem fünfblättrigen Kleeblatt ähnelte, gelungen. In beiden Fällen handelte es sich um sogenannte Torusknoten, die auch entstehen, wenn man einen Faden mehrfach um einen Schwimmreifen schlingt, die Fadenenden verbindet und den Reifen schließlich entfernt. Ausgefallenere Knoten erhält man, wenn man den Faden um brezelförmige Gebilde wickelt, die mehr Löcher haben als ein Torus. Doch bisher ist es den Forschern nicht gelungen, das Licht zu solch exotischen Knoten zu schlingen.

Mit ihrem Experiment haben Padgett und seine Kollegen gezeigt, dass sich die dunklen Bereiche eines Lichtfeldes beinahe nach Wunsch formen lassen. Das könnte man für neuartige mikroskopische Verfahren ebenso nutzen wie für die Herstellung von ungewöhnlich geformten optischen Fallen aus Licht, mit denen man "lichtscheue" Atome festhalten kann.

Text: F.A.Z., 03.02.2010, Nr. 28 / Seite N2