Etwas aus Nichts

Wie aus dem Nichts entsteht strukturiertes Licht an einer Grenzfläche. Bild: UniGraz/Eismann und Kantor

In einer kürzlich in der Zeitschrift Optica erschienenen gemeinsamen Veröffentlichung von Mitgliedern der Arbeitsgruppe Optik von Nano- und Quantenmaterialien (OpNaQ) der Universität Graz und des Max Planck – uOttawa Centre for Extreme and Quantum Photonics wird über eine experimentelle Methode zur Erzeugung strukturierter Lichtstrahlen berichtet. Durch die Verwendung einer homogenen Grenzfläche mit verschwindender Permittivität gelang es den Forschern, Standardlaserstrahlen in Licht mit einer strukturierten Phasenfront umzuwandeln.

Das Streben nach der Erzeugung einzigartig strukturierter Lichtformen ist von größter Bedeutung für verschiedene Anwendungen, die von der optischen Kommunikation bis zur Teilchenmanipulation reichen. Ein Freiheitsgrad des Lichts, der für derartige Anwendungen von besonderem Interesse ist, ist die Phase in Form des Bahndrehimpulses (Orbital Angular Momentum, OAM). Man kann beispielsweise Informationen in Strahlen mit verschiedenen OAM-Zuständen kodieren oder Strahlen mit OAM auf Teilchen fokussieren, um eine mechanische Drehbewegung zu induzieren. Die Fähigkeit, diese Strahlen mit minimalen Verlusten zu erzeugen und gleichzeitig komplexe Techniken zu vermeiden, ist heute von größter Bedeutung. Üblicherweise werden bei den Standardmethoden strukturierte Materialien oder Vorrichtungen verwendet, um die Eingangsstrahlen positionsabhängig zu manipulieren, was schließlich zur gewünschten Struktur des Lichtfelds führt.

Mitglieder der OpNaQ-Gruppe an der Universität Graz haben nun in Zusammenarbeit mit dem Max Planck - uOttawa Centre for Extreme and Quantum Photonics die Vorteile einer einfachen homogenen Dünnschicht ausgenutzt, dessen elektrische Permittivität bei Null liegt. Ein solches Regime bietet viele einzigartige Konsequenzen, eine davon ist die Kopplung zwischen Spin, d.h. zirkularer oder elliptischer Polarisation, und orbitalem Drehimpuls. Durch Ausnutzung dieser grundlegenden Eigenschaft konnten sie optische Strahlen mit OAM erzeugen, die durch verstärkte Spin-Bahn-Kopplung entstanden sind, obwohl die Dünnschicht keinerlei Struktur aufwies.

Auf diese neuartige Weise lassen sich innovative Möglichkeiten der Strahlformung erforschen, ohne dass komplexe Herstellungsdesigns erforderlich sind. Da nur ein dünner Film aus einem solchen Material benötigt wird, kann eine Vielzahl von Designs für die Strahlformung mit einer Permittivität nahe Null und nanophotonischen Apparaturen untersucht werden. Der zugehörige Artikel wurde kürzlich in Optica veröffentlicht.

Jörg S. Eismann, Lisa Ackermann, Brian Kantor, Sergey Nechayev, M. Zahirul Alam, Robert Fickler, Robert W. Boyd, and Peter Banzer, "Enhanced spin–orbit coupling in an epsilon-near-zero material," Optica 9, 1094-1099 (2022); https://doi.org/10.1364/OPTICA.469079

Kontakt: Peter Banzer, peter.banzer(at)uni-graz.at

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