Wat gebeurt er als je een aantal donuts op elkaar stapelt? Volgens optisch natuurkundigen krijg je dan een croissant.

Het is een van de resultaten van een nieuw onderzoek waaruit voor het eerst een geheel nieuwe eigenschap van licht is gebleken. De pas ontdekte eigenschap van fotonen, die ‘zelf-moment’ (self-torque) wordt genoemd, doet zich voor wanneer een rondtollende laserstraal steeds sneller om een middelpunt draait – te vergelijken met een stukje afval dat al draaiend in een gootsteenputje wegloopt. Het vreemde gedrag van de fotonen werd vorige week beschreven in het tijdschrift Scienceen kan in de toekomst leiden tot betere communicatietechnologie en nieuwe manieren om microscopisch kleine objecten te manipuleren.

“We ontdekken steeds weer iets nieuws in de natuurwetenschap, maar het gebeurt niet elke dag dat je een nieuwe fundamentele eigenschap op het spoor komt,” zegt Kevin Dorney, medeauteur van het onderzoek en fysisch chemicus aan het JILA-laboratorium van de University of Colorado in Boulder en aan het National Institute of Standards and Technology.

Optische bakwaren

Het recept voor de croissantvormige laser begint met een type licht dat zich kenmerkt door zijn zogenaamde ‘baanimpulsmoment’. Deze eigenschap, die zelf officieel pas in 1992 werd ontdekt, kan aan een laserstraal worden gegeven wanneer deze door een lens in de vorm van een schelp wordt geleid. Het licht dat tevoorschijn komt, doet denken aan een helix die rond een centraal punt draait. Als je met zo’n laserstraal op een oppervlak schijnt, zie je een dikke ring met een gat in het midden – oftewel een donut.

Een nanodeeltje dat in de laserstraal wordt geplaatst, begint als een planeet in een baan rond een centraal punt te draaien – vandaar ook de term ‘baanimpulsmoment’.

Dorney en zijn collega’s werkten aan het creëren van laserlicht met baanimpulsmoment, en wel in een segment van het elektromagnetisch spectrum dat ‘extreem ultraviolet’ wordt genoemd – tussen het bekende ultraviolette licht dat door UV-lampen wordt uitgezonden en hoogenergetische röntgenstraling die in de medische technologie wordt gebruikt.

Lasers van extreem ultraviolet-licht konden worden gecreëerd door twee optische rode laserpulsen op een verzameling van argonatomen in gasvorm los te laten. Door het rode laserlicht kwamen de elektronen van de argonatomen vrij, waarna ze volgens Dorney als het ware “op de golven van de laser zouden meesurfen en meer energie zouden krijgen.” Wanneer de zo opgevoerde elektronen weer terugkaatsten en op de argonatomen botsten, gaven ze hun overtollige energie af in de vorm van extreem ultraviolet-fotonen met baanimpulsmoment.

Het team vroeg zich vervolgens af wat er zou gebeuren als de oorspronkelijke rode laserpulsen wat betreft snelheid verschillende baanimpulsmomenten zouden hebben en enkele biljardsten van seconden van elkaar zouden verschillen. Uit simulaties bleek dat de donutvormige optische pulsen elkaar op een vreemde manier aanvulden, waardoor de helix van extreem ultraviolet-stralen zich steeds sneller verstrengelde. In deze modellen zag een dwarsdoorsnede van de ultravioletlaser er meer uit als een afnemende maan of croissant.

“Je zou niet verwachten dat je door het optellen van donuts een croissant krijgt,” zegt Dorney. Maar toen de onderzoekers hetzelfde experiment met optisch licht herhaalden, “drukten we op de juiste knop en veranderde het beeld van een donut in een croissant en weer terug.”

Lichtende toekomst

Het team noemt deze pas ontdekte eigenschap van licht ‘zelf-moment’, omdat ze doet denken aan een steeksleutel die tijdens het aandraaien van een bout wordt versneld. In het geval van de sleutel gebeurt dat door een kracht van buitenaf, namelijk de hand van de monteur die de sleutel bedient. Zelf-moment komt in de natuur slechts in enkele systemen voor en meestal alleen in extreme situaties. Wanneer bijvoorbeeld twee zwarte gaten rond elkaar draaien, kunnen ze door de wisselwerking tussen hun zwaartekrachtsvelden worden aangezwengeld, waardoor hun rotatiesnelheden sterk worden verhoogd.

Maar hoe zou licht met zelf-moment in de praktijk toegepast kunnen worden?

“Het korte antwoord is dat we dat nog aan het uitzoeken zijn,” zegt Dorney. “Deze eigenschap is zó nieuw dat er niet meteen een duidelijke toepassing is te bedenken.”

Dat was ook niet het geval toen licht met baanimpulsmoment ruim een kwart eeuw geleden werd ontdekt. Maar tegenwoordig wordt dit type licht gebruikt in ultra-krachtige microscopen waarmee extreem kleine machineonderdelen verplaatst kunnen worden, en voor het verzenden van extreem hoogfrequente datasignalen door optische communicatienetwerken. Misschien maakt de ontdekking van deze nieuwe eigenschap van licht de experts op dit gebied daarom wel zo opgetogen.

“Het is gewoon enorm spannend en fascinerend,” zegt Alan Willner, een elektrotechnisch ingenieur van de University of Southern California in Los Angeles die niet bij de nieuwe studie was betrokken. “Licht verrast ons telkens weer.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com