Licht heeft onvermoede eigenschap

Natuurkunde Licht blijkt torsie te kunnen hebben: een verandering van de draaiing in een lichtbundel. Handig bij materiaalonderzoek.

Lichtpulsen met verschillende baanimpulsmomenten kunnen elkaar versterken en uitdoven. Het resultaat is een bundel met wisselende intensiteit: soms een donut, soms een croissant.
Lichtpulsen met verschillende baanimpulsmomenten kunnen elkaar versterken en uitdoven. Het resultaat is een bundel met wisselende intensiteit: soms een donut, soms een croissant. Foto Kevin Dorney, Kapteyn-Murnane group, JILA - University of Colorado Boulder

Licht heeft er een eigenschap bij, een uitbreiding van een eigenschap die ruim 25 jaar geleden ontdekt werd. Toen bleek dat lichtbundels een draaiing kunnen bevatten. Nu blijkt die draaiing ook razendsnel te kunnen veranderen. Dat heet torsie. Onderzoekers beschrijven deze eigenschap in een artikel dat donderdag verscheen in Science.

Natuurkundigen experimenteren al eeuwen met licht. Ze schijnen het door prisma's en lenzen en maken krachtige laserstralen. Zo zijn eerder andere eigenschappen van licht ontdekt, zoals golflengte (die de kleur van zichtbaar licht bepaalt), intensiteit en polarisatie. Die laatste eigenschap gebruiken sommige zonnebrillen.

Met de nu ontdekte lichttorsie zou je kleine, lichte deeltjes zoals elektronen in beweging kunnen brengen en ze kunnen sturen. Verder kun je er materialen mee onderzoeken door te meten hoe ze reageren op de veranderende draaiing van licht.

„Licht is een van de beste manieren om de fysieke wereld om ons heen te bestuderen”, zegt Kevin Dorney van de University of Colorado. „Door de eigenschappen ervan te beheersen en te variëren, kunnen we het afstemmen op hetgeen we willen bestuderen.” Laserlicht kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor nauwkeurige afstandmetingen. Meer eigenschappen betekent meer manieren om de wereld te onderzoeken met licht. De lichtstraal met torsie die Spaanse en Amerikaanse onderzoekers produceren is nog te zwak om een merkbaar effect te hebben op deeltjes, maar voldoende om het bestaan van de nieuwe eigenschap aan te tonen.

Ruim 25 jaar geleden toonden natuurkundigen aan dat een lichtstraal een draaiing kan hebben. Een lichtstraal kun je zien als een golffront dat in een richting beweegt. Als dat golffront om de as van de bewegingsrichting draait, ontstaat er een spiraalvormig front dat roterend als een schroef vooruit beweegt. Die draaiende beweging heet in jargon baanimpulsmoment. Experimenten laten zien dat deze draai-impuls sterk genoeg kan zijn om kleine, lichte deeltjes, van ongeveer een micrometer groot, mee te slepen. Die draaien met het golffront mee rondjes om de as van de lichtstraal.

Zonder meedraaiende deeltjes is het baanimpulsmoment niet met het blote oog zichtbaar. Het is wel meetbaar, door bijvoorbeeld de intensiteit van het licht te meten als je recht in de lichtstraal kijkt. Als er geen baanimpulsmoment is, dan detecteer je een heldere schijf die naar buiten toe donkerder wordt. Heeft het licht een baanimpulsmoment, dan meet je in het midden een donkere vlek omdat het licht steeds strakker in elkaar gedraaid wordt tot het in het midden helemaal niet meer kan bestaan. De gemeten intensiteit heeft dan de vorm van een donut. Hoe complexer het baanimpulsmoment is, hoe groter het gat van de donut.

De onderzoekers kregen het voor elkaar om een lichtbundel te maken met een veranderend baanimpulsmoment. Daardoor krijgt het licht torsie en kan het deeltjes versnellen, iets wat niet eerder bij licht was waargenomen. Hiervoor combineerden de onderzoekers lichtpulsen van enkele femtoseconden (een femtoseconde is 10-15 seconde, of een duizendmiljardste milliseconde). Die pulsen hadden twee verschillende baanimpulsmomenten. Als je twee verschillende baanimpulsmomenten combineert versterken ze elkaar soms en doven elkaar soms uit. Daardoor ziet de intensiteitsmeting tijdens de verandering er niet meer uit als een donut maar als een maansikkel – of, om in bakkerstermen te blijven, een croissant: alleen helder waar de twee elkaar versterken.

Als een deeltje in deze lichtstraal terecht zou komen, spiraalt het niet om de as. „Het wordt meegenomen in het croissantvormige stuk van de lichtpuls”, legt Dorney uit. „Door de torsiekracht wordt het deeltje in die bocht versneld en vliegt het met een hogere snelheid weer weg.”

De lichtbundel uit het experiment zou flink gefocust moeten worden voordat die krachtig genoeg is om daadwerkelijk, in het laboratorium, deeltjes weg te slingeren. „Deze en andere mogelijkheden, zoals het combineren van andere soorten baanimpulsmomenten, willen we de komende tijd verder onderzoeken”, zegt Dorney.

„Mooi werk”, zegt Stefan Witte van de VU in Amsterdam, die niet betrokken was bij het onderzoek. „Ik heb veel bewondering voor de manier waarop ze de meting uitgevoerd hebben. Aantonen dat die torsie in de lichtbundel zit, is zeker niet gemakkelijk. Het onderzoek zit vol mooie trucjes en ideeën, echt iets voor technische fijnproevers.”