Licht dat in de knoop zit

Fysici zijn erin geslaagd om in hun laboratoria geknoopt licht te produceren.

Magnetische veldlijnen vormen een vijfvoudige knoop. Foto Physical Review Letters

Licht hoeft zich niet alleen in rechte lijnen voort te planten, maar kan ook stevig in de knoop zitten. Dat concluderen theoretisch natuurkundige Hridesh Kedia van de University of Chicago en collega’s in Physical Review Letters (10 oktober).

Ze melden de ontdekking van een nieuwe klasse oplossingen van de Maxwell-vergelijkingen. Die vergelijkingen, pilaren van de 19de-eeuwse natuurkunde, beschrijven gewone lichtgolven als rimpelingen in het elektromagnetisch veld. Het variërende elektrische veld en het het magnetische veld staan daarbij allebei loodrecht op de voortplantingsrichting.

Maar er zijn ook barokkere oplossingen denkbaar, waarbij de elektromagnetische veldlijnen aaneengesloten ringen vormen, die ook in elkaar gekoppeld zijn. In de jaren tachtig werd al zo’n oplossing ontdekt, gebaseerd op de Hopf-fibratie. Dat is een wiskundige constructie die het gemakkelijkst concreet te maken is als een reeks in elkaar gehaakte sleutelringen, die samen een donut-vorm aannemen.

Pas de laatste jaren zijn natuurkundigen erin geslaagd om ook werkelijk geknoopt licht in hun hun laboratoria te produceren, alhoewel die term niet al te letterlijk moet worden genomen. Puur wiskundig gezien mogen in elkaar hakende ringen dan ‘knopen’ genoemd worden, in het dagelijks leven zouden we de term ‘knoop’ liever voor het complexere veter- en schiemanswerk reserveren.

De nieuwe oplossingen van Kedia en collega’s zijn echter knopen zonder voorbehoud. Het zijn aan elkaar geschakelde ringen van veldlijnen, met als overkoepeldende structuur een platte knoop, een vijfvoudige platte knoop, en nog ingewikkelder vormen.

Bijzonder is ook dat ze in de tijd stabiel zijn: een dergelijke constructie van licht zou zich voortplanten door de ruimte, en tegelijkertijd zijn bijzondere vorm niet verliezen.

In werkelijkheid zou je ze kunnen maken met hulp van speciale Laguerre-Gauss-laserbundels: dat zijn lichtbundels die een baanmoment ofwel draaiing met zich meevoeren.

Het idee dat knopen fundamentele eigenschappen belichamen gaat al terug op Lord Kelvin (1824-1907) die vermoedde dat atoomkernen verschillende soorten knopen in de ether waren. Dat bleek onzin, maar de afgelopen decennia duiken knopen op als stabiele structuren in complexe plasma’s, in vloeistofstromen en in vloeibare kristallen (bekend van het LCD-schermpje), en ook in Bose-Einstein-condensaten (BEC’s). En dus ook in licht.

Wat je met het geknoopte licht kunt doen is nog niet helemaal duidelijk. Mogelijk is het bruikbaar voor het gebruik in quantumcomputers of voor nieuwe vormen van spectroscopie, waarbij gassen, vloeistoffen of plasma’s nieuwe eigenschappen prijsgeven onder geknoopt licht.

Bruno van Wayenburg

    • Bruno van Wayenburg