Transverse Orbital angular momentum of twisted spatiotemporal optical vortex random beams

Der unsichtbare Spin des Lichts

Stellen Sie sich einen Lichtstrahl nicht nur als einen geraden Pfeil vor, der durch die Dunkelheit schießt, sondern als ein wirbelndes, sich drehendes Band aus Energie. In der Welt der Physik ist Licht dafür bekannt, dass es „Impuls“ überträgt, was normalerweise nur bedeutet, dass es Dinge bewegen kann (wie etwa Sonnensegel an einem Raumschiff). Aber es gibt eine coolere, subtilere Art von Impuls, den man „Drehimpuls“ nennt. Denken Sie an den Unterschied zwischen einer Kugel, die geradeaus fliegt, und einem Kreisel, der sich dreht. Wenn Licht spinnt, während es reist, trägt es „Bahndrehimpuls“ (Orbital Angular Momentum, OAM). Normalerweise geschieht dieser Spin um den Pfad des Strahls herum, wie eine Korkenzieherbewegung, die sich vorwärts bewegt. Doch Wissenschaftler haben kürzlich einen Weg entdeckt, Licht seitlich spinnen zu lassen, wie einen Nudelholz, das über einen Tisch rollt. Dies wird als „transversaler“ OAM bezeichnet.

Um das neue Forschungsprojekt zu verstehen, das wir gleich untersuchen werden, müssen Sie auch etwas über „Twists“ (Verwindungen) und „Vortizes“ (Wirbel) wissen. Ein Vortex im Licht ist wie ein Strudel in einem Fluss; die Mitte ist leer (ein dunkles Loch), und das Wasser (oder das Licht) wirbelt darum herum. Ein „Twist“ ist etwas abstrakter: Es ist eine spezielle Art der Verbindung zwischen der Position des Lichts und seinem Timing. Stellen Sie sich eine Tänzerin vor, die ihren Arm nur dann nach vorne bewegt, wenn sie einen Schritt nach rechts macht; ihre Bewegung und ihr Timing sind „vertwistet“ miteinander verbunden. Die meisten Lichtstrahlen sind entweder perfekt geordnet (kohärent) oder völlig chaotisch (inkohärent). Aber diese Studie untersucht „zufällige“ Strahlen – Licht, das ein wenig unordentlich und unvorhersehbar ist, aber dennoch diese speziellen rotierenden Geheimnisse bewahrt. Warum interessiert das jemanden? Weil die Kontrolle darüber, wie Licht spinnt und sich verdreht, zu superschnellem Internet, besseren Wegen zum Fangen winziger Partikel und neuen Werkzeugen für das Quantencomputing führen könnte.

Die verdrehte, rotierende Lichtshow

In dieser Studie beschlossen ein Team von Forschern von Universitäten aus China und den USA, eine sehr spezifische, sehr ausgeklügelte Art von Lichtstrahl zu untersuchen. Sie nennen ihn einen „twisted spatiotemporal optical vortex random beam“ (einen verdrehten, räumlich-zeitlichen optischen Wirbel-Zufallsstrahl). Das ist ein Zungenbrecher, also brechen wir es auf: Sie erzeugten einen Lichtstrahl, der gleichzeitig ist:

1. Ein Vortex: Er hat ein Loch in der Mitte und spinnt um dieses Loch herum (wie ein Donut).
2. Verdreht (Twisted): Seine Position und die Zeit sind auf eine spezielle Weise miteinander verknüpft (die „Twist-Phase“).
3. Zufällig (Random): Er ist nicht perfekt glatt; er besitzt eine natürliche Unschärfe oder „partielle Kohärenz“, was ihn eher wie reales Licht als wie einen perfekten Laser aussehen lässt.

Die große Frage, die sie sich stellten, lautete: Was passiert mit dem seitlichen Spin (transversaler OAM) dieses chaotischen, verdrehten, donutförmigen Lichtstrahls, wenn er durch den leeren Raum reist?

Unter Verwendung komplexer Mathematik (speziell etwas, das Huygens-Fresnel-Integral genannt wird, was wie ein Rezept dafür ist, wie sich Wellen bewegen), simulierten die Forscher, wie sich diese Strahlen beim Fliegen durch ein Vakuum verhalten. Sie haben nicht nur geraten; sie führten detaillierte numerische Berechnungen durch, um genau zu sehen, wie sich die Energie und der Spin des Lichts über die Distanz verändern.

Hier ist das, was sie herausfanden:

Der Tanz der zwei Phasen
Die Forscher entdeckten, dass der „Vortex“ (der Spin um das Donut-Loch) und der „Twist“ (die Zeit-Positions-Verbindung) wie zwei verschiedene Tänzer auf derselben Bühne sind. Sie ignorieren einander nicht; sie interagieren, um den seitlichen Spin des Lichts zu verändern.

• Der Vortex erzeugt einen Spin, der wie ein flüssiger Strudel aussieht.
• Der Twist erzeugt einen Spin, der eher wie ein festes, starres Rad aussieht, das sich dreht.

Wenn der Strahl reist, kombinieren sich diese beiden Effekte. Das Team fand heraus, dass sie durch Anpassung des „Twist-Faktors“ (wie stark die Zeit-Positions-Verbindung ist) und der „topologischen Ladung“ (wie oft das Licht um das Loch wirbelt), die Verteilung dieses seitlichen Spins vollständig umgestalten können. Es ist, als hätte man eine Fernbedienung, mit der man die Form eines kreiselnden Objekts von einem flachen Pfannkuchen zu einem hohen Turm verändern kann, indem man einfach zwei Regler dreht.

Der Strahl wird seltsam, während er reist
Wenn diese Strahle ihre Reise beginnen, sehen sie aus wie perfekte, runde Donuts. Aber während sie durch den Raum reisen, wird es interessant. Da sich Licht im Raum (Breite) anders ausbreitet als in der Zeit (Dauer), wird die perfekte runde Form zu einem Oval gestaucht.

• Die „Donut“-Form verwandelt sich in eine Ellipse (ein gestreckter Kreis).
• Das Licht bewegt sich nicht nur vorwärts; der gesamte Strahlpunkt rotiert tatsächlich, während er fliegt. Wenn der Twist positiv ist, spinnt er im Uhrzeigersinn. Wenn der Twist negativ ist, spinnt er gegen den Uhrzeigersinn.
• Der „seitliche Spin“ (OAM) ist nicht mehr gleichmäßig verteilt. Anstatt ein einheitlicher Ring zu sein, konzentriert sich der stärkste Spin an den Enden der langen Seite des Ovals, während das Licht selbst auf der kurzen Seite am hellsten ist. Es ist ein bisschen wie eine kreiselnde Eiskunstläuferin, die ihre Arme ausstreckt; der Spin konzentriert sich in bestimmten Punkten.

Die Magie des „gesamten“ Spins
Eine der überraschendsten Erkenntnisse betrifft die gesamte Menge des seitlichen Spins, den der Strahl trägt. Normalerweise würde man denken, dass bei einem chaotischen Strahl der Spin verloren gehen oder durcheinandergebracht werden würde. Aber das Team zeigte, dass der durchschnittliche gesamte seitliche Spin pro Photon exakt gleich bleibt, während der Strahl reist. Er bleibt erhalten!

Dennoch bietet die Twist-Phase einen geheimen Trick. Die Forsnträger fanden heraus, dass der Gesamtspin nicht nur davon abhängt, wie schnell das Licht rotiert (die topologische Ladung), sondern auch von der Form des Intensitätsprofils des Lichts, die durch den Twist gesteuert wird.

• Bei normalen Strahlen können Sie den Gesamtsspin nur ändern, indem Sie die Anzahl der Wirbel verändern.
• In diesen verdrehten Strahlen fungiert der „Twist“ als zusätzlicher Regler. Durch Ändern des Twists können Sie bestimmte Photonen herausfiltern und den Gesamtspin verstärken, ohne die Anzahl der Wirbel zu ändern. Es ist wie bei einem Fahrrad, das einen zweiten Gang hat, mit dem man schneller fahren kann, ohne stärker in die Pedale treten zu müssen.

Was sie nicht fanden
Die Studie klärte auch auf, was nicht passiert. Im „paraxialen“ Regime (was eine schicke Art zu sagen ist: „wenn der Strahl nicht extrem stark fokussiert ist“) agieren der Twist und der Vortex unabhängig voneinander. Sie stören die grundlegende Mathematik des jeweils anderen nicht; sie addieren sich nur. Die Forscher merkten an, dass sie den Strahl sehr eng zusammenpressen würden (starke Fokussierung), könnten sie auf eine viel kompliziertere Weise interagieren, aber unter den standardmäßigen Bedingungen, die sie simulierten, bleiben die beiden Effekte unterscheidbar und vorhersehbar.

Das Fazit
Dieses Paper behauptet nicht, einen neuen Laser gebaut oder eine globale Krise gelöst zu haben. Stattdessen liefert es eine detaillierte Karte darüber, wie sich eine sehr spezifische, komplexe Art von Licht verhält. Es zeigt uns, dass wir durch das Mischen eines „Twists“ mit einem „Vortex“ in einem zufälligen Strahl eine neue Ebene der Kontrolle gewinnen. Wir können den seitlichen Spin steuern, den Strahlpunkt rotieren und den Gesamtimpuls mit einem zusätzlichen Freiheitsgrad abstimmen. Für den neugierigen Teenager (oder den zukünftigen Physiker) bedeutet dies, dass Licht noch vielseitiger ist, als wir dachten: Es ist nicht nur eine gerade Linie oder ein einfacher Spin, sondern ein formbares Band aus Energie, das wir drehen, wenden und abstimmen können, um unseren Willen zu erfüllen.