Ett forskningssamarbete med teoretiska fysiker från University of Bristol och Birmingham har hittat ett nytt sätt att utvärdera hur ljus flödar genom rymden – genom att knyta knutar i det.

Laserljus kan tyckas vara en enda, hårt fokuserad stråle. Faktiskt, det är ett elektromagnetiskt fält, vibrerar i en ellipsform vid varje punkt i rymden. Detta flerriktade ljus sägs vara "polariserat".

Effekten kan ses med polariserade solglasögon, som bara tillåter en ljusriktning att tränga in. Genom att hålla upp dem mot himlen och rotera dem, tittare kommer att se mörkare och ljusare fläckar när ljus som flödar i olika riktningar dyker upp och försvinner.

Nu, forskare har kunnat använda holografisk teknik för att vrida en polariserad laserstråle till knutar.

Professor Mark Dennis, från University of Bristol's School of Physics och University of Birmingham's School of Physics and Astronomy, ledde den teoretiska delen av forskningen.

Han sa:"Vi är alla bekanta med att knyta knutar i påtagliga ämnen som skosnören eller band. En gren av matematiken som kallas "knutteori" kan användas för att analysera sådana knutar genom att räkna deras öglor och korsningar.

"Med ljus, dock, saker och ting blir lite mer komplexa. Det är inte bara en enda trådliknande balk som knyts, men hela utrymmet eller 'fältet' där det rör sig.

"Ur en matematisk synvinkel, det är inte knuten som är intressant, det är utrymmet runt den. Fältets geometriska och rumsliga egenskaper är kända som dess topologi."

För att analysera topologin för knutna ljusfält, forskare från universitet i Bristol, Birmingham, Ottowa och Rochester använde polariserade ljusstrålar för att skapa strukturer som kallas "polarisationssingulariteter".

Upptäckt av professor John Nye i Bristol för över 35 år sedan, polarisationssingulariteter förekommer vid punkter där polarisationsellipsen är cirkulär, med andra polarisationer omslutande. I 3 dimensioner, dessa singulariteter förekommer längs linjer, i detta fall skapa knutar.

Teamet kunde skapa knutar med mycket större komplexitet än vad som tidigare varit möjligt i ljus och analyserade dem i detalj.

Professor Dennis tillade:"Ett av syftena med topologi är att tala om att visa data i termer av linjer och ytor. Ytorna i den verkliga världen har mycket fler hål än vad matematiken förutspått."