Erstmals können Physiker von Licht angetriebene Nanoräder erzeugen: Mit einem speziellen Laserstrahl leuchten sie winzige Nanopartikel an und lassen diese dadurch um ihre Achse rotieren. Das Besondere an diesem photonischen Rad: Das funktioniert nur, wenn das Licht einen Drehimpuls besitzt, der senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung steht – und genau das galt bisher als quasi unmöglich, wie die Forscher im Fachmagazin „Journal of the European Optical Society“ berichten. Die Entdeckung des photonischen Rades eröffne nun neue Anwendungen im Nanobereich – vom Nanomixer bis zur Photonenpinzette.
Licht kann erstaunliche Kräfte entwickeln. Den Regeln der Quantenmechanik zufolge ist Licht sowohl eine elektromagnetische Welle als auch ein Strom von Photonen. Da es einen Impuls besitzt, erfährt ein transparentes Teilchen, durch das ein Lichtstrahl fällt, einen Rückstoß, wenn die Photonen es verlassen. Die Kraft, die ein einzelnes Photon dabei ausübt, ist zwar fast verschwindend klein, in intensiven und stark gebündelten Laserstrahlen summiert sich die Wirkung unzähliger Lichtteilchen jedoch so, dass sich damit Objekte bis zu wenigen Mikrometern Größe in einer optischen Falle festhalten oder gezielt bewegen lassen. Biologen etwa nutzen diesen Effekt in optischen Pinzetten, um Zellen im Fokus eines Mikroskops zu fixieren und zu drehen.
Fahrradreifen statt Propeller
Normalerweise dreht sich das elektrische Feld einer Lichtwelle wie ein Propeller: Um eine Achse, die in die Richtung zeigt, in die sich das Licht auch ausbreitet. Physiker bezeichnen dies als longitudinalem Drehimpuls. Gerd Leuchs und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen haben nun ihrem Laserlicht einen zuvor unbekannten Drehimpuls verliehen: senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Wein solcher transversaler Drehimpuls rotiert wie der Reifen eines Fahrrads. „Die Möglichkeit, dass Licht über den gesamten Strahlquerschnitt gemittelt einen rein transversalen Drehimpuls haben kann, hatte man bisher nicht erkannt“, sagt Max-Planck-Forscher Peter Banzer, der maßgeblich an der Entdeckung beteiligt war.
Doch wie die Erlanger Physiker nun sowohl theoretisch als auch praktisch zeigten, lässt sich Licht mit rein transversalem Drehimpuls sehr wohl erzeugen, und zwar auf erstaunlich einfache Weise. „Wenn es einmal auf dem Papier steht, sieht es leicht aus“, sagt Leuchs. Aber man muss erst einmal auf die Idee kommen. Bei dieser setzten die Forscher bei zirkular polarisiertem Licht an. Eine Welle solchen Lichts dreht sich wie eine Schraube um die Ausbreitungsrichtung des Strahls und hat einen propellerförmigen longitudinalen Drehimpuls. Erzeugen lässt sich zirkular polarisiertes Licht zum Beispiel durch einen doppelbrechenden Kristall. Ob sich die Lichtwelle dabei im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, hängt von der Orientierung des Kristalls ab.
