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Kelvins Vermächtnis

Montag, 29.03.2021

Eine internationale Zusammenarbeit zwischen Forschungsgruppen aus Österreich, Deutschland und Kanada – alle Mitglieder des Max Planck - University of Ottawa Centre for Extreme and Quantum Photonics – hat kürzlich gezeigt, dass Lord Kelvins Beschreibung der geometrischen Chiralität ihr direktes Gegenstück in maßgeschneiderten Lichtfeldern finden kann. Diese neuartigen Erkenntnisse wurden nun in Physical Review A veröffentlicht [1] und unterstreichen die Bedeutung dieser neuen Art von Chiralität für Licht-Materie-Wechselwirkungen und entsprechenden Anwendungen.

Chiralität ist in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Disziplinen von größter Bedeutung, von der Chemie, Biologie und Medizin bis hin zur Physik und Mathematik. Darüber hinaus nimmt diese eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des Lebens auf der Erde ein. Beispielsweise sind nicht nur DNA-Stränge chiral, sondern es gibt auch eine Vielzahl von Molekülen in zwei spiegelsymmetrischen, aber nicht überlagerbaren Formen. Diese werden als Enantiomere bezeichnet. Formal ist Chiralität eine geometrische Eigenschaft, die Lord Kelvin vor mehr als einem Jahrhundert erstmals definiert hat. Er schrieb: „I call any geometrical figure, or group of points, chiral, and say that it has chirality, if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself“ [2]. Eine Helix, die per Definition ein dreidimensionales Objekt ist, kann dabei als die wohl gängigste und bekannteste chirale Struktur bezeichnet werden.

Interessanterweise kann auch Licht chiral sein bzw. eine wohldefinierte Händigkeit aufweisen. Der bekannteste Typ dieser optischen Chiralität ist eng mit der Polarisation eines Lichtfeldes oder Lichtstrahls verbunden, also mit dem Drehsinn des Feldes selbst. Allgemeiner ausgedrückt bezieht sich die optische Chiralität auf die lokalen Eigenschaften eines Feldes, während seine räumliche Struktur in der Regel vollständig ignoriert wird. Dies steht in starken Kontrast zu der dreidimensionalen, räumlichen Eigenschaft eines herkömmlichen, geometrisch chiralen Objekts wie eben einer Helix. Diese optische Chiralität spielt dabei eine entscheidende Rolle, um z.B. die Chiralität von Materie, Molekülen etc. zu untersuchen.

In ihrer Studie zeigten die internationalen Forscher nun, dass die geometrische Chiralität der räumlichen Polarisationsstruktur eines Lichtstrahls ebenfalls eine wichtige Aufgabe bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zukommen kann. Diese als Kelvins Chiralität optischer Strahlen bezeichnete Händigkeit konnten sie auch experimentell nachweisen. Ferner zeigten sie auch, dass es in vergleichsweise einfachen und gängigen achiralen Systemen sogar zu einer Kopplung zwischen konventioneller optischer Chiralität und dieser neuen Art kommen kann. Dieses Phänomen und seine Merkmale werfen ein neues Licht auf die Grundlagen chiraler Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie und auf chiralen Symmetrien, was wiederum neuen faszinierenden Forschungsrichtungen den Weg ebnet.

[1] S.  Nechayev, J.  S. Eismann, R. Alaee, E. Karimi, R. W. Boyd, and P. Banzer, “Kelvin's chirality of optical beams”, Phys. Rev. A 103, L031501 (2021); Editors’ suggestion
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.L031501

[2] Sir William Johnson Lord Kelvin, “The Molecular Tactics of a Crystal”, Clarendon Press (1894)

 

Kontakt: Peter Banzer; Optics of Nano and Quantum Materials (website)

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