Wenn der Laser nicht dort wirkt, wo er am hellsten ist

Ein stark fokussierter Laserstrahl hat sein Intensitätsmaximum in der Mitte. Richtet man ihn auf ein einzelnes Ion, liegt dort auch die stärkste Wechselwirkung nahe. Doch genau das stimmt nicht. Forscher des Paul Scherrer Instituts, der ETH Zürich und der Universität Amsterdam haben erstmals direkt beobachtet, dass das Maximum der Wechselwirkung seitlich gegenüber dem Zentrum des Laserstrahls verschoben ist – um einige hundert Nanometer.

Viel ist das nicht. Mit einem einzelnen, in einer Ionenfalle festgehaltenen Teilchen lässt sich ein solcher Versatz allerdings messen. Die Forscher bezeichnen das Phänomen als optischen Magnus-Effekt. Die Bezeichnung erinnert an den klassischen Magnus-Effekt: Ein rotierender Tischtennisball kann dadurch von seiner ursprünglichen Flugbahn abweichen. Die Analogie hat allerdings ihre Grenzen. Nicht die Bahn des Ions wird gekrümmt; verschoben ist das Maximum seiner Wechselwirkung mit dem Licht.

Für das Experiment verwendete das Team ein einzelnes Kalzium-Ion ($^{40}\mathrm{Ca}^+$). Es wurde elektromagnetisch in einer Falle gehalten. Anschließend bewegten die Forscher die Position des Ions relativ zu einem stark fokussierten Laserfeld und maßen, wie sich die Wechselwirkung veränderte. Das einzelne Ion macht auf diese Weise die räumliche Struktur des Lichtfeldes sichtbar.

Der Grund für den Versatz liegt in der Struktur des elektromagnetischen Feldes. Bei einem schwach fokussierten Lichtstrahl kann man das Feld mit der sogenannten paraxialen Näherung vergleichsweise einfach beschreiben. Bei starker Fokussierung reicht diese Beschreibung nicht mehr aus. Es treten zusätzliche, in Ausbreitungsrichtung des Lichts weisende Komponenten des elektrischen Feldes auf. Auch die Polarisation verändert sich über den Querschnitt des Strahls.

Dadurch entsteht eine räumlich veränderte Wechselwirkung zwischen Licht und Ion. Die Richtung der Verschiebung hängt von der Polarisations- beziehungsweise Spinstruktur des Lichtfeldes ab. Die Forscher beschreiben den zugrunde liegenden Zusammenhang als intrinsische spin-orbit-artige Kopplung des Lichts.

Eine weitere Messung war dabei besonders aufschlussreich: Die Größe der Verschiebung hängt von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab, nicht von der Stärke der Fokussierung. Der gemessene Versatz liegt bei einigen hundert Nanometern.

Der Effekt war theoretisch bereits vorhergesagt worden. Die nun in den Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit liefert die erste direkte experimentelle Beobachtung und eine räumliche Charakterisierung.

Für die Quantenphysik ist das nicht nur eine Frage der Optik. In Quantencomputern mit gefangenen Ionen werden Laser eingesetzt, um die Quantenzustände der Ionen zu kontrollieren. Wenn die räumliche Form der Licht-Ion-Wechselwirkung nicht so ist, wie eine einfache Betrachtung der Laserintensität erwarten lässt, muss das bei einer präzisen Steuerung berücksichtigt werden.

Darüber hinaus sehen die Autoren in den beobachteten Polarisationsgradienten eine mögliche Grundlage für weitere optische Wechselwirkungen, etwa in optischen Fallen. Eine Anwendung zur Kopplung von Qubits ist damit allerdings noch nicht gezeigt. Sie bleibt eine Möglichkeit für künftige Experimente.

Zunächst geht es um einen kleinen, aber grundsätzlichen Befund: Selbst bei einem einzelnen Ion liegt der Punkt stärkster Wechselwirkung mit einem stark fokussierten Lichtfeld nicht zwangsläufig dort, wo der Laser am hellsten ist.