Fraktalmönster är vanliga i naturen, inklusive i de geometriska mönstren av ett sköldpaddsskal, strukturen hos ett snigelskal, bladen på en suckulent växt som upprepas för att skapa ett invecklat mönster, och frostmönstret på en bils vindruta på vintern.

Fraktaler har det utmärkande särdraget av en upprepad geometri med struktur i flera skalor, och finns överallt, från romansk broccoli till ormbunkar, och även i större skalor som saltslätter, berg, kustlinjer och moln. Formerna på träd och berg är också sig själva, så att en gren ser ut som ett litet träd och en klipphäll som ett litet berg.

Under de senaste två decennierna, forskare har förutspått att fraktalt ljus kan skapas med en laser. Med sina högpolerade sfäriska speglar, en laser är nästan raka motsatsen till naturen, och så det kom som en överraskning när, 1998, forskare förutspådde fraktala ljusstrålar som sänds ut från en klass av lasrar. Nu, ett team från Sydafrika och Skottland har visat att fraktalt ljus kan skapas från en laser, verifiera förutsägelsen om två decennier.

Rapporterar denna månad i Fysisk granskning A , teamet tillhandahåller det första experimentella beviset för fraktalt ljus från enkla lasrar och lägger till en ny förutsägelse:att fraktalmönstret ska existera i 3D och inte bara 2D, som tidigare trott.

Naturen skapar sådana "mönster i mönster" genom många rekursioner av en enkel regel, till exempel, att producera en snöflinga. Datorprogram gör också fraktaler genom att loopa igenom regeln upprepade gånger, känd som producerar den abstrakta Mandelbrot-uppsättningen.

Ljuset inuti lasrarna cirkulerar också fram och tillbaka, studsar mellan speglarna vid varje pass, som kan ställas in för att avbilda ljuset i sig själv på varje tur och retur. Det här ser precis ut som en rekursiv loop, upprepa en enkel regel om och om igen. Avbildningen innebär att varje gång ljuset återgår till bildplanet, det är en mindre (eller större) version av vad det var:ett mönster i ett mönster i ett mönster.

Fraktaler har tillämpningar inom bildbehandling, nätverk, antenner och till och med medicin. Teamet förväntar sig att upptäckten av fraktala former av ljus som kan konstrueras direkt från en laser bör öppna nya applikationer och teknologier baserade på dessa exotiska tillstånd av strukturerat ljus.

"Fraktaler är ett riktigt fascinerande fenomen kopplat till det som kallas kaos, säger professor Andrew Forbes från University of the Witwatersrand, som ledde projektet tillsammans med professor Johannes Courtial vid University of Glasgow. "I den populärvetenskapliga världen, kaos är känt som "fjärilseffekten", där en liten förändring på ett ställe gör en stor förändring någon annanstans – till exempel, en fjäril som slår sina vingar i Asien orsakar en orkan i USA. Detta har visat sig vara sant."

När man förklarar upptäckten av fraktalt ljus, Forbes förklarar att hans team insåg vikten av var man kan leta efter fraktaler i en laser. "Titta på fel ställe inuti lasern och du ser bara en utsmetad ljusklump. Titta på rätt ställe, där avbildningen sker, och du ser fraktaler."

Projektet kombinerade teoretisk expertis från Glasgow-teamet med experimentell validering i Sydafrika av forskare från Wits och CSIR (Council for Scientific and Industrial Research). Den första versionen av experimentet byggdes av Dr. Darryl Naidoo (av CSIR och Wits) och avslutades av Hend Sroor (Wits) som en del av hennes doktorsexamen.

"Det som är fantastiskt är att som förutspått, det enda kravet för att visa effekten är en enkel laser med två polerade sfäriska speglar. Den var där hela tiden, bara svårt att se om du inte tittade på rätt ställe, säger Courtial.