Ein Trojaner-Ansatz zur Führung und Einfangung von Lichtstrahlen über Lagrange-Punkte

30. Januar 2024 feature

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Korrigiert von Ingrid Fadelli, Phys.org

Eine zuverlässige Führung und Erfassung optischer Wellen ist entscheidend für die Funktion verschiedener zeitgenössischer Technologien, einschließlich Kommunikations- und Informationssystemen. Der konventionellste Ansatz zur Führung von Lichtwellen nutzt die Totalreflexion von optischen Fasern und ähnlichen Strukturen, aber kürzlich haben Physiker das Potenzial von Techniken basierend auf anderen physikalischen Mechanismen untersucht.

Forscher der University of Southern California haben kürzlich einen hochinnovativen Ansatz zur Lichtfallenbildung entwickelt. Diese Methode, die in Nature Physics vorgestellt wurde, nutzt die exotischen Eigenschaften der Lagrange-Punkte, den gleichen Gleichgewichtspunkten, die die Umlaufbahnen ursprünglicher Himmelskörper wie sogenannte Trojanische Asteroiden im Sonne-Jupiter-System bestimmen.

"Die Entdeckung der Lagrange-Punkte, die in dieser Forschung eine Schlüsselrolle spielen, geht auf die frühen Arbeiten von Leonhard Euler und Joseph-Louis Lagrange zurück, in denen festgestellt wurde, dass an diesen Stellen die Gravitationsattraktion, die von zwei großen Körpern ausgeübt wird, genau durch Zentrifugalkräfte ausgeglichen werden kann", sagten Mercedeh Khajavikhan und Demetrios N. Christodoulides, Mitautoren des Papiers, zu Phys.org.

"Während einige dieser Punkte, insbesondere und, bereits als strategische Positionen im Weltraum zur Stabilisierung von Satelliten mit minimalem Treibstoffverbrauch eingesetzt werden (wie bei dem James Webb Teleskop und dem kürzlich gestarteten Aditya L1 Satelliten), konzentriert sich unsere Studie auf die faszinierenden Eigenschaften der und Lagrange-Punkte".

Trojanische Asteroiden sind eine große Gruppe von Asteroiden, die die Sonne auf derselben Umlaufbahn wie der Planet Jupiter umkreisen. Lagrange-Punkte, benannt nach dem renommierten Mathematiker Lagrange, der sie entdeckt hat, sind Positionen im Weltraum, in denen die Gravitationskraft von zwei Körpern im selben System (z. B. die Sonne und Jupiter) verstärkte Anziehungsbereiche und Abstoßungsbereiche erzeugt.

Im Rahmen ihrer Studie untersuchten Khajavikhan und Christodoulides das Potenzial, die einzigartige Physik dieser Positionen zur Führung und Bannung von Lichtwellen zu nutzen. In ihrem Paper zeigten die Forscher, dass die Verwendung der und Lagrange-Punkte für optische Anwendungen in gewisser Weise der Erfassung von Trojanischen Asteroiden in der Sonne-Jupiter-Umlaufbahn ähnelt.

"Der Lagrange optische Wellenleiter entsteht durch Stromdurchfluss durch einen helikalen Draht in einem ausgehärteten Silikonölzylinder", sagten Khajavikhan und Christodoulides.

"Durch den thermo-optischen Effekt entsteht wiederum eine verdrehte Indexlandschaft, bei der in diesem Fall die Photonabstoßung durch die Zentrifugalkraft ausgeglichen wird. Überraschenderweise entsteht in diesem Berg- und Talfahrt-Indexprofil ein stabiler Lagrange-Punkt und als Ergebnis wird ein Trojanischer optischer Strahl in einer zweidimensionalen Weise an dieser Position gefangen".

Im Rahmen ihrer Studie haben Khajavikhan und Christodoulides ein kompaktes System in ihrem Labor entwickelt, in dem die Eigenschaften von Lagrange-Punkten nachgebildet wurden, wie sie in den Umlaufbahnen von Trojanischen Asteroiden beobachtet werden. Ihr laborgebauter Aufbau bestand aus einem helixförmigen Eisen-Draht, der in einen Stoff mit einem temperaturabhängigen Brechungsindex eingefügt war.

Die Forscher konnten später dieses Medium auf nicht-homogene Weise erwärmen, indem sie Strom durch den Draht leiteten. Schließlich ermöglichte dieser Prozess die Bildung dessen, was sie als einen Trojanischen optischen Strahl bezeichnen.

Dieses einfache Experiment führte zu sehr interessanten Beobachtungen. Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass optische Trojanische Strahlen in dieser defokussierenden Brechungsindex-Umgebung geführt oder gefangen werden können, was unter normalen Umständen nicht möglich ist.

"Noch wichtiger ist, dass die Brechungsindexlandschaft, in der diese optischen Strahlen gefangen sind, völlig unscheinbar ist und keinerlei Merkmale aufweist, die eine Führung voraussagen könnten", sagten Khajavikhan und Christodoulides. "Im Wesentlichen wird der optische Strahl in einem Nirgendwo gefangen - in völlig unscheinbaren Regionen, in denen keine konventionellen Wellenleiterstrukturen existieren".

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams zeigt, dass die einzigartigen Eigenschaften der Lagrange-Punkte genutzt werden können, um Lichtwellen zu führen und zu fangen. In Zukunft könnte dies zur Entwicklung neuer Techniken zur Führung optischer Wellen in unkonventionellen Umgebungen dienen, wenn herkömmliche Ansätze unwirksam sind, wie beispielsweise in Flüssigkeiten und Gasen.

'A possible avenue for further exploration could be the use of Trojan beams in amplifying (laser) systems, where optical gain or loss can establish alternative means for beam attraction or repulsion in fully dielectric media,' Khajavikhan and Christodoulides said.

So far, the researchers have only focused on the use of Lagrange points for guiding light beams. However, in the future the methodology they developed could also be tested in other areas of physics reaching beyond optics, for instance as a technique to guide acoustic waves or ultracold atoms.

'At this point, we plan to explore the possibility of guiding light in acoustic waves in both liquid and gaseous media,' Khajavikhan and Christodoulides added. 'Finally, of interest would be to observe for the first-time trapping and transporting dielectric micro- and nano-particles in Lagrange waveguides using optical tractor beams where multiple Lagrange points can be induced—an aspect that is not possible in celestial mechanics.'

Journal information: Nature Physics

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