Am Licht gedreht

Verlangsamtes Licht lässt sich durch Rotation des Mediums sichtbar um seine Ausbreitungsachse drehen.

Lichtausbreitung in Medien hat viele interessante Effekte zu bieten. So gelang es einer Gruppe von Forschern aus Glasgow kürzlich, einen länglich verformten Lichtstrahl durch Rotation des durchlaufenen Mediums um die Ausbreitungsachse zu drehen. Der normalerweise sehr schwache Effekt, der bisher nur für die Polarisationsrichtung von Licht beobachtet werden konnte, wurde durch eine extrem geringe Gruppengeschwindigkeit mit bloßem Auge sichtbar.

Beim Durchlaufen eines rotierenden Mediums ändert sich die Polarisation von Licht geringfügig. Linear polarisiertes Licht wird von der Rotation „mitgezogen“ – die Polarisationsrichtung wird leicht verdreht. Grund dafür ist eine Phasendifferenz, die zirkular polarisierte Photonen im Medium erfahren. Zerlegt man nun lineare Polarisation in zirkular polarisierte Basiszustände, so wirkt sich diese relative Phase als Drehung der Polarisationsrichtung aus.

Dieses Prinzip lässt sich auch auf das transversale Profil eines Lichtstrahls anwenden: Drehimpuls-Basiszustände mit positivem und negativem Drehsinn sammeln verschiedene Phasen auf, die sich im transmittierten Bild im Ortsrau letztlich als Drehung darstellen.

Der daraus resultierende Drehwinkel für die Polarisation und das Bild hängen gemäß Δφ = (n_g - 1 / n_φ) Ω L / c von der Rotationsgeschwindigkeit Ω, der Länge des Mediums L und den Brechungsindizes der Gruppen- und Phasengeschwindigkeit, n_g und n_φ, ab.

Da der Lichtstrahl in dem, von den schottischen Wissenschaftlern verwendeten, Rubinstab einen Brechungsindex von ca. 10⁶ induzierte, verweilte das Licht lange im rotierenden Medium und es kam zu einer Drehung des Bildes von zirka fünf Grad. Somit konnte „langsames Licht“ nun auch genutzt werden um Effekte, die bei Vakuumlichtgeschwindigkeit zu schwach sind, zu verstärken und für das bloße Auge sichtbar zu machen.

Konrad Kieling