Light Bends by Itself

Jeder Physikstudent weiß, dass sich Licht in einer geraden Linie bewegt. Doch nun haben Forscher gezeigt, dass sich Licht auch in einer Kurve bewegen kann, und zwar ohne äußeren Einfluss. Der Effekt ist eigentlich eine optische Täuschung, aber die Forscher sagen, dass er praktische Anwendungen haben könnte, z. B. um Objekte mit Licht aus der Ferne zu bewegen.

Es ist allgemein bekannt, dass sich Licht krümmt. Wenn Lichtstrahlen beispielsweise von der Luft ins Wasser gelangen, machen sie eine scharfe Kurve; deshalb scheint sich ein in einen Teich getauchter Stock zur Oberfläche hin zu neigen. Im Weltraum werden Lichtstrahlen in der Nähe von sehr massiven Objekten, wie z. B. Sternen, in Kurven beobachtet. In jedem Fall hat die Lichtkrümmung eine äußere Ursache: Bei Wasser ist es die Veränderung einer optischen Eigenschaft, des so genannten Brechungsindexes, und bei Sternen ist es die Verformung durch die Schwerkraft.

Dass sich das Licht jedoch von selbst biegt, ist ein unerhörter Vorgang – fast. In den späten 1970er Jahren entdeckten die Physiker Michael Berry von der Universität Bristol im Vereinigten Königreich und Nandor Balazs von der State University of New York, Stony Brook, dass eine so genannte Airy-Wellenform, eine Welle, die beschreibt, wie sich Quantenteilchen bewegen, sich manchmal um einen kleinen Betrag biegen kann. Diese Arbeit wurde weitgehend ignoriert, bis Demetri Christodoulides und andere Physiker an der University of Central Florida in Orlando 2007 durch Manipulation von Laserlicht optische Versionen von Airy-Wellen erzeugten und feststellten, dass sich der resultierende Strahl beim Durchqueren eines Detektors leicht krümmte.

Wie hat diese Selbstkrümmung funktioniert? Licht ist ein Wirrwarr von Wellen, deren Spitzen und Täler sich gegenseitig stören können. Wenn zum Beispiel eine Spitze an einer Senke vorbeiläuft, hebt sich das gegenseitig auf und es wird dunkel; wenn eine Spitze an einer anderen Spitze vorbeiläuft, „interferiert“ sie konstruktiv und es entsteht ein heller Fleck. Stellen Sie sich nun vor, dass das Licht von einem breiten Streifen ausgestrahlt wird – vielleicht von einer Leuchtstoffröhre oder besser von einem Laser, dessen Leistung erweitert wurde. Durch sorgfältige Kontrolle der Ausgangsposition der Wellenberge – der Phase der Wellen – bei jedem Schritt entlang des Streifens ist es möglich, das nach außen dringende Licht nur an Punkten einer Kurve konstruktiv zu interferieren und überall sonst auszulöschen. Die Airy-Funktion, die schnelle, aber abnehmende Oszillationen enthält, erwies sich als ein einfacher Weg, diese Anfangsphasen zu definieren – mit der Ausnahme, dass das resultierende Licht nur bis zu etwa 8° gebogen werden würde.

Die Physiker Mordechai Segev und seine Kollegen vom Technion, dem Israelischen Institut für Technologie in Haifa, sagen nun, dass sie ein Rezept haben, mit dem sich das Licht um jeden beliebigen Winkel selbst biegen kann, sogar um einen kompletten Kreis. Das Problem mit der Airy-Funktion, so Segev, besteht darin, dass die Form ihrer Schwingungen nur bei kleinen Winkeln die richtigen Phasen angibt; bei Winkeln, die viel größer als 8° sind, wird die Form zu einer groben Approximation. Also wandte sich seine Gruppe den Maxwell-Gleichungen zu, dem 150 Jahre alten Quartett mathematischer Formeln, die die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wie Licht beschreiben. Nach mühsamen Berechnungen und Vermutungen fanden die Forscher Lösungen für die Maxwell-Gleichungen, die genau die Anfangsphasen beschreiben, die für wirklich selbstbiegendes Licht erforderlich sind, wie sie diese Woche in Physical Review Letters berichten.

„Die Airy-Funktion ist eine Lösung für einen Näherungsfall“, sagt Segev. „Wenn man große Winkel erreichen will, muss man die richtige Form haben. Die Leute dachten, dass es keine richtige Form gibt, dass die Lösung immer auseinanderfällt – aber wir haben gezeigt, dass das falsch ist.“

Die Arbeit von Segevs Gruppe hätte theoretisch bleiben können, aber zufälligerweise hat eine Gruppe unter der Leitung von John Dudley an der Universität Franche-Comté in Besançon, Frankreich, ihre eigenen Experimente zum selbstbiegenden Licht durchgeführt. Durch Abänderung der bestehenden Airy-Funktion gelang es Dudleys Gruppe, Anfangsphasenwerte zu finden, die mit der Lösung der israelischen Gruppe übereinstimmen, obwohl sie davon nichts wussten. Durch die Verwendung eines so genannten räumlichen Lichtmodulators zur Voreinstellung der Phase eines erweiterten Laserstrahls fand die französische Gruppe heraus, dass sich das resultierende Licht um bis zu 60° selbst krümmt, wie sie noch in diesem Monat in Optics Letters berichten wird.

Das sich selbst biegende Licht könnte den optischen Pinzetten eine nette Wendung geben. Diese in den 1980er Jahren entwickelten Geräte nutzen die durch intensives Laserlicht erzeugte Kraft, um mikroskopische Objekte in der Luft zu halten. Segev glaubt, dass die Forscher, wenn sie die Laserstrahlen durch selbstgekrümmtes Licht ersetzen, die gefangenen Objekte dazu bringen könnten, sich auf komplexen Pfaden zu bewegen, ohne sie zu berühren. Auf diese Weise könnte das gebogene Licht selektiv Zellen von einer biologischen Probe wegbewegen – ein Segen für Bioingenieure.

Der Physiker Pavel Polynkin von der University of Arizona in Tucson schlägt eine weitere Anwendung vor: das Brennen eines gekrümmten Lochs durch ein Material, was mit einem normalen Laser unmöglich wäre. Aber trotz solcher Anwendungen weist er darauf hin, dass das Licht selbst nicht gekrümmt ist, sondern es nur den Anschein hat, weil sich die hellen Interferenzpunkte aneinanderreihen. Die meiste Energie des Lichts fließt nicht in die helle Kurve, sondern in die gedämpften Bereiche, die ausgelöscht wurden, sagt er. „Ich stelle die wissenschaftliche Bedeutung der Arbeit nicht in Frage“, fügt er hinzu. „Es berichtet über einen wichtigen Beitrag. … Es wurden bisher keine fundamentalen physikalischen Gesetze gebrochen – und das ist meiner Meinung nach eine gute Sache.“