Optisches Rotatum: Lichtspiralen folgen der Mathematik der Natur

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Redaktion der Website für technologische Innovationen - 05.09.2025

Die logarithmische Spirale des optischen Rotatums folgt einem Muster, das in der Natur häufig vorkommt, beispielsweise in Nautilusschalen. [Bild: Capasso Lab/Harvard SEAS]

Licht beim Turnen

Die Möglichkeiten, Licht zu verdrehen , Knoten in Licht zu knüpfen , Licht in eine Donutform zu bringen – kurz gesagt, Licht zu formen – sind in der Öffentlichkeit noch wenig bekannt, werden jedoch bereits in verschiedenen Technologien im Bereich der Kommunikation und Computertechnik eingesetzt.

Und jetzt haben wir ein weiteres Werkzeug im Arsenal: die Erzeugung schraubenförmiger Lichtstrahlen, besser bekannt als optische Wirbel , die sich auf ihrer Reise nicht nur drehen, sondern sich auch in verschiedenen Teilen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verschieben und so einzigartige Lichtmuster im dreidimensionalen Raum erzeugen.

Das Verhalten des Lichts in diesen Wirbeln ähnelt in der Natur häufig vorkommenden Spiralformen, beispielsweise in den Schalen von Nautilus-Weichtieren, in der Anordnung von Sonnenblumenkernen und sogar in den Zweigen von Bäumen.

Die Forscher griffen auf die klassische Mechanik zurück, um ihren noch nie zuvor demonstrierten Lichtwirbel „optisches Rotatum“ zu nennen. Damit beschreiben sie, wie sich das korkenzieherförmige Drehmoment des Lichts allmählich ändert – in der Newtonschen Physik ist das Rotatum die Rate, mit der sich das Drehmoment eines Objekts im Laufe der Zeit ändert.

„Dies ist ein neues Verhalten des Lichts, das aus einem optischen Wirbel besteht, der sich durch den Raum ausbreitet und auf ungewöhnliche Weise verändert. Es ist möglicherweise nützlich für die Manipulation kleiner Materie“, sagte Professor Federico Capasso von der Harvard University.

Lichterzeugungsmodus bei Schnecken und experimentelle Ergebnisse. [Bild: Ahmed H. Dorrah et al. - 10.1126/sciadv.adr9092]

Spirallicht

Die Entdeckung baut auf anderen aktuellen Arbeiten des Teams auf, bei denen eine Metaoberfläche – eine dünne Linse mit geätzten Nanostrukturen, die den Lichtstrahl manipulieren – entwickelt wurde, um einen Lichtstrahl mit kontrollierter Polarisation und Bahndrehimpuls entlang seines Ausbreitungswegs zu erzeugen, wobei das einfallende Licht in andere Strukturen umgewandelt wird, die sich während der Bewegung verändern .

Jetzt haben sie ihrem Licht einen weiteren Freiheitsgrad verliehen, in dem sie auch dessen räumliches Drehmoment während der Ausbreitung verändern können.

Während andere Teams Lichtstrahlen zur Drehmomentänderung mithilfe von Hochleistungslasern und sperrigen Aufbauten demonstriert haben, verwendet dieser neue Ansatz lediglich eine Flüssigkristallanzeige und einen Strahl geringer Intensität, sodass das Rotationsmoment in einem integrierten, industriekompatiblen Gerät erzeugt werden kann. Dadurch sinkt die Eintrittsbarriere für die Technologie, die praktische Anwendung finden soll.

Während die Anwendung eines neuen Werkzeugs die Kreativität seines Benutzers lediglich einschränken wird, schlagen die Forscher vor, dass ihr exotischer Lichtstrahl zur Kontrolle sehr kleiner Partikel, wie etwa suspendierter Kolloide, verwendet werden könnte, wodurch eine neue, vielseitigere Version optischer Pinzetten geschaffen würde.

Ein interessanter Aspekt der Forschung besteht darin, dass das Team herausfand, dass der Lichtstrahl, der einen Drehimpuls in der Umlaufbahn trägt, einem mathematischen Muster folgt, das in der gesamten Natur vorkommt. Analog zur Fibonacci-Zahlenfolge breitet sich das optische Rotatum in einer logarithmischen Spirale aus, die in zahllosen natürlichen Strukturen zu beobachten ist.

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