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News: Lichtstrudel

Wenn es rund geht, dann wird es meist erst richtig spannend. Deswegen interessieren sich Physiker ganz besonders für wirbelartige Strukturen, die in allen Bereichen der Natur zu finden sind. Ob in Form zerstörerischer Tornados in der Atmosphäre oder als Strudel in Wasserströmungen, spiralige Strukturen finden sich - allerdings in erstarrter Form - sogar im Bereich des Lebendigen, etwa in der Doppelhelix der DNA. Israelischen Physikern ist es jetzt gelungen Wirbelstrukturen auch in Laserlicht zu erzeugen. Durch die Verbesserung modernsten Lasertechniken gelang es ihnen, die bislang kleinsten und komplexesten optischen Wirbel zu produzieren.
Ausgangspunkt für die neuen experimentellen Resultate ist der sogenannte vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL), ein Halbleiterlasertyp, der eine Vielzahl günstiger Eigenschaften besitzt. Er ist klein, sehr zuverlässig, und liefert bei hohem Wirkungsgrad und großer Leistung Laserlicht in einem weiten Wellenlängenbereich. VCSEL werden vor allem in der optischen Kommunikation mittels Glasfasern genutzt. Weitere Einsatzfelder bieten CD-Spieler und die optische Speicherung von Daten.

Normalerweise sind diese Laser so entworfen, daß sie mit ihrem Strahl eine Fläche von ungefähr zwanzig Mikrometer (Millionstel Millimeter) Durchmesser gleichmäßig bestrahlen. Meir Orenstein und Jacob Scheuer vom Technion-Israel Institute of Technology in Haifa haben nun die üblichen Maße eines VCSEL verdoppelt und den eingespeisten Strom um das Drei- bis Sechsfache vergrößert (Science, 9. Juli 1999). Unter diesen Bedingungen ändert sich die "Menge" des produzierten Lichts abhängig davon, wie sehr das Licht verstärkt wurde. Das wiederum wirkt auf die Lichtmenge an jedem Punkt zurück. Die Folge: Der Laserstrahl "bricht auseinander" und ordnet sich in Mustern an, in denen helle und dunkle Bereiche in komplexer Weise wechseln.

"Was wir beobachtet haben, waren regelrechte Abfolgen von optischen Wirbeln", erklärt Orenstein. Es handelt sich um ein ähnliches Phänomen wie bei einem Tornado in der Luft oder im Abfluß eines Waschbeckens – mit dem Unterschied, daß die entstehenden Wirbel aus Licht bestehen. Licht läßt sich bekanntlich auch als elektromagnetische Welle beschreiben. In einem optischen "Strudel" rotiert die Richtung der Wellenbewegung um eine zentrale Achse, wie Wasser um einen Abfluß. Näher zur Achse wird auch die Rotation immer schneller. Im Falle eines optischen Wirbels steigt diese Geschwindigkeit – anders als in Wasser – bei Annäherung an das Zentrum unbegrenzt an – zumindest in der theoretischen Beschreibung. Dort erhält man sogenannte Singularitäten, Bereiche in denen bestimmte Größen ins Unendliche anwachsen.

Orenstein und Scheuer konnten zeigen, daß sich unter diesen exotischen Bedingungen spontan Wirbel in Form von Achten bilden, bis hin zu Anordnungen von drei, fünf oder sieben dieser Schleifen bei einer Vergrößerung des Stroms. Optische Wirbel wurden zwar schon vorher von anderen Forschern beobachtet, allerdings mit wesentlich größeren und komplizierteren Apparaturen und nicht in einer solchen Detailfülle.

Die Miniatur-Wirbel sind nicht nur von theoretischem Interesse, sondern könnten auch praktisch nutzbar sein. Ein optischer Wirbel, der den Laser verläßt und über den Raum oder ein Glasfaserkabel übertragen wird, behält seine Struktur in seiner Drehrichtung bei. Damit ließen sich Informationen über lange Strecken übermitteln. Eine andere exotischere Anwendungsmöglichkeit wäre das Einfangen einzelner Atome im Zentrum des Wirbels, wo sie durch Abkühlung auf sehr niedrige Temperaturen gewissermaßen eingesperrt und ruhiggestellt werden können.

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