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Eine theoretisch vorhergesagte vierdimensionale Lichtstruktur konnte erstmals experimentell erzeugt und visualisiert werden. Anwendungen liegen in der optischen Datenübertragung und Nanostrukturierung.

Um Licht beispielsweise für die optische Datenübertragung oder zur Herstellung nanoskopischer Strukturen einzusetzen, muss es häufig räumlich strukturiert werden. Dazu werden seine Eigenschaften – Intensität, Phase und Polarisation – individuell angepasst. Typischerweise entstehen so im dreidimensionalen Raum strukturierte Lichtfelder, zum Beispiel durch die Anwendung eines Hologramms. Ein internationales Forscherteam um Prof. Cornelia Denz von der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster und Prof. Mark Dennis von der britischen Universität Birmingham haben nun eine Methode entwickelt, mit der das Licht derart strukturiert wird, dass eine Projektion aus dem vierdimensionalen Raum entsteht. „Bei der vierten Dimension handelt es sich um eine mathematische Konstruktion. Vier Dimensionen können wir uns mit unseren Sinnen räumlich nicht vorstellen“, sagt Physiker Ramon Droop von der WWU Münster.

Das Forscherteam hat die komplexe Lichtstruktur zunächst theoretisch (mathematisch) vorhergesagt und sie anschließend experimentell realisiert und vermessen. Die Struktur nennt sich Hopfion, benannt nach dem deutsch-schweizerischen Mathematiker Heinz Hopf. Sie sieht vereinfacht aus wie zahllose ineinander verschlungene Ringe, und die Projektion in den dreidimensionalen Raum ist vergleichbar mit der Projektion der dreidimensionalen Erde auf eine zweidimensionale Landkarte. Im Gegensatz dazu wird beim Hopfion jedoch ein Teil des vierdimensionalen in den dreidimensionalen Raum übertragen. Das bedeutet: Aus den Messungen im dreidimensionalen Raum lassen sich Rückschlüsse auf die Eigenschaften der vierten Dimension ziehen.

Das Team entwickelte auch eine neue Aufnahmemethode, mit der die Eigenschaften des Lichts, welche den vier Dimensionen zugeordnet sind, räumlich aufgelöst werden können. Dazu verwendet die Gruppe ein der Tomografie ähnliches Verfahren der Vermessung zweidimensionaler Schnitte, die dann zum dreidimensionalen Raum zusammengesetzt werden. Anschließend kann genau berechnet werden, welcher Teil des vierdimensionalen Raums abgebildet ist.

Auf der Basis dieser Forschungsergebnisse könnten laut den Wissenschaftlern zukünftig neue Arten von Laserstrahlen entwickelt werden, mit denen Datenkommunikation sicherer und auch schneller wird. Die Anordnung von Nanostrukturen könnte vielseitiger und einfacher und die Materialbearbeitung präziser gestaltet werden.

Originalpublikation
[Danica Sugic, Ramon Droop, Eileen Otte, Daniel Ehrmanntraut, Franco Nori, Janne Ruostekoski, Cornelia Denz und Mark R. Dennis (2021): Particle-like topologies in light. Nature Communications 12, 6785; DOI: 10.1038/s41467-021-26171-5]

Quelle: www.uni-muenster.de

Bild: WWU / Ramon Droop