23.11.2021

Licht in 4D

Lichtfeld spiegelt die Struktur des vierdimensionalen Raums wider.

Mit Licht lassen sich Daten übertragen oder nano­skopische Strukturen erzeugen. Um solche Anwendungen zu ermöglichen, muss das Licht räumlich strukturiert werden. Dazu werden seine Eigenschaften – Intensität, Phase und Polarisation – maßge­schneidert. Typischerweise entstehen so im dreidimensionalen Raum strukturierte Lichtfelder, zum Beispiel durch die Anwen­dung eines Hologramms. Darüber hinausgehend hat nun ein inter­nationales Forschenden­team um Cornelia Denz von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und Mark Dennis von der Universität Birmingham eine Methode entwickelt, mit der das Licht derart strukturiert wird, dass eine Projektion aus dem vier­dimensionalen Raum entsteht. 

Abb.: Simulation der Linien mit gleichen Polarisations­zuständen des Lichts...
Abb.: Simulation der Linien mit gleichen Polarisations­zuständen des Lichts als 3D-Modell. (Bild: R. Droop, WWU)

Das Team hat die komplexe Lichtstruktur zunächst theoretisch vorher­gesagt und sie anschließend experi­mentell realisiert und vermessen. Die Struktur nennt sich Hopfion, benannt nach dem deutsch-schweizerischen Mathematiker Heinz Hopf. Sie sieht – vereinfacht gesagt – aus wie zahllose ineinander verschlungene Ringe, und die Projektion in den dreidimen­sionalen Raum ist vergleichbar mit der Projektion der dreidimensionalen Erde auf eine zweidimen­sionale Landkarte. Im Gegensatz dazu wird beim Hopfion jedoch ein Teil des vierdimensionalen in den dreidimen­sionalen Raum übertragen. Das bedeutet: Aus den Messungen im dreidimen­sionalen Raum lassen sich Rückschlüsse auf die Eigen­schaften der vierten Dimension ziehen.

Die Suche nach vierdimen­sionalen Lichtfeldern beschäftigt die Optik­gemeinde, weil man mit derart strukturiertem Licht beispielsweise eine Möglichkeit hätte, Daten schneller zu übertragen. „Bei der vierten Dimension handelt es sich um eine mathe­matische Konstruktion. Vier Dimensionen können wir uns mit unseren Sinnen räumlich nicht vorstellen“, sagt Physiker Ramon Droop. Die Wissenschaftler entwickelten ein Verfahren, welches das Licht aus zwei Laser­strahlen in eine wenige& Kubik­millimeter große, zum Hopfion verwobene Struktur lenkt. Dies gelang ihnen durch den Einsatz von räumlichen Licht­modulatoren auf Flüssigkristall­basis, mit denen sich die optischen Eigenschaften des Lichts elektrisch kontrollieren lassen.

Das Team entwickelte auch eine neue Aufnahme­methode, mit der die Eigenschaften des Lichts, welche den vier Dimensionen zugeordnet sind, räumlich aufgelöst werden können. Dazu verwendet die Gruppe ein der Tomo­graphie ähnliches Verfahren der Vermessung zweidimen­sionaler Schnitte, die dann zum dreidimen­sionalen Raum zusammen­gesetzt werden. Anschließend kann genau berechnet werden, welcher Teil des vierdimensionalen Raums abgebildet ist. „Auf der Basis dieser Forschungs­ergebnisse könnten zukünftig neue Arten von Laserstrahlen entwickelt werden, mit denen Daten­kommunikation sicherer wird. Die Anordnung von Nanostrukturen könnte vielseitiger und einfacher und die Material­bearbeitung präziser gestaltet werden“, sagt Cornelia Denz.

WWU Münster / JOL

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