Italienische Wissenschaftler haben eine clevere Methode entwickelt, um die Photonen eines Lichtstrahls mit einem von Null verschiedenen Bahndrehimpuls auszustatten. Dabei wird mittels eines Kristalls der Spin eines jeden Photons umgekehrt und der dabei frei werdende Impuls an die Photonen in Form eines Bahndrehimpulses weitergegeben. Da der Bahndrehimpuls im Gegensatz zum Spin nicht auf die zwei Werte -1 und 1 beschränkt ist, könnten somit einzelne Photonen im Prinzip mehr als ein Bit einer Information speichern.
Auch wenn Anwendungen in der Telekommunikation wohl noch in weiter Ferne liegen, stellt das von Lorenzo Marrucci und seinen Kollegen von der Universität von Neapel entwickelte Verfahren ein Beispiel für die Erforschung des oft als mysteriös angesehenen Bahndrehimpulses von Photonen dar. Während der Photonenspin nämlich relativ einfach veranschaulicht werden kann ? er gibt die Rotationsrichtung des elektrischen Feldvektors der sich ausbreitenden Photonen an ?, so kann der Bahndrehimpuls eines Photons nur viel schwieriger dargestellt werden. Ein Strahl von Photonen mit einem von Null verschiedenen Bahndrehimpuls weist etwa im Gegensatz zu gewöhnlichen Lichtstrahlen keine ebenen Wellenfronten, sondern Fronten in Form einer Spirale wie bei einer Schraube auf.
Um die Photonen eines Laserstrahls nun mit einem Bahndrehimpuls auszustatten, benutzten Marrucci und seine Kollegen einen doppelbrechenden Kristall, dessen optischer Brechungsindex von der Ausbreitungsrichtung des Lichts abhing. Wenn die Dicke derartiger Kristalle genau auf die Wellenlänge des verwendeten Lichts abgestimmt wird, kann der Spin seiner Photonen und damit die Polarisationsrichtung des Lichts umgekehrt werden. Doppelbrechende Kristalle finden daher in der Grundlagenforschung einen breiten Einsatz.
Während nun allerdings herkömmliche Kristalle den beim Umklappen des Photonenspins freigesetzten Drehimpuls einfach absorbieren, gab der von Marrucci entwickelte Kristall den Drehimpuls an die Photonen in Form eines Bahndrehimpulses weiter. Dies gelang durch eine Verzerrung der Kristallebenen entlang der Dicke der doppelbrechenden Schicht. Wie die Forscher in ihrer Studie zeigen, konnte so die Absorption des Impulses verhindert werden, so dass aufgrund des Gesetzes der Impulserhaltung dieser in einen Bahndrehimpuls umgewandelt werden musste.
Physical Review Letters, Band 96, Artikel 163905 Stefan Maier
