AMOLF-onderzoekers zien monstergolven van licht
Wetenschappers van het FOM-instituut AMOLF hebben monstergolven van licht waargenomen. Monstergolven zijn golven die schijnbaar uit het niets opkomen en daarna snel weer verdwijnen. De onderzoekers laten zien dat ze de waarschijnlijkheid dat zo’n lichtgolf ontstaat kunnen beïnvloeden. Dat maakt het mogelijk om de grote lichtintensiteit van een monstergolf te benutten, bijvoorbeeld voor snellere telecommunicatie of gevoeligere sensoren. Het werk, een samenwerking met onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk en Saoedi-Arabië, verscheen op 9 maart in Nature Physics.
Eeuwenlang werden de verhalen van schippers over monstergolven, gigantische golven die op een kalme zee opdoemden om vervolgens weer te verdwijnen, afgedaan als visserslatijn. Pas in 1995 brachten metingen van golven rond boorplatforms in de Noordzee duidelijkheid. De metingen toonden aan dat eens in de zoveel tijd een golf het boorplatform raakte die veel hoger was dan je zou verwachten.
Kakofonie van licht
Vertonen lichtgolven dit gedrag ook? En kun je het gedrag beïnvloeden? Om dit te testen ontwierpen de AMOLF-onderzoekers optische chips met daarop kleine trilholtes waarin zij licht opsloten. De onderzoekers kozen voor zogeheten chaotische trilholtes. Deze zijn niet perfect rond, waardoor het licht ongestructureerd tegen de wanden botst. Het licht in de chaotische trilholte is daarbij gevoelig voor kleine veranderingen van bijvoorbeeld de invalshoek of de lichtkleur. Daardoor planten lichtgolven zich in alle richtingen voort, weerkaatsen ze aan de wanden en creëren ze schijnbaar willekeurige interferentiepatronen. Kortom, de chaotische trilholte bevat een kakofonie van licht.
Om monstergolven van licht te onderzoeken, stuurden de fysici via één kanaal hele korte lichtflitsen de trilholte in. Aan de overzijde plaatsten zij twee of meer ontsnappingskanalen waardoor het licht de holte kon verlaten. De onderzoekers keken zowel met computersimulaties als experimenteel naar het lichtgedrag. Ze zagen dat af en toe op willekeurige posities grote pieken in lichtintensiteit ontstonden: de monstergolven.
Minuscule monsters
De lichtpieken duurden maar heel kort: minder dan 200 femtoseconden (een femtoseconde is een biljardste seconde). De pieken waren ook nog eens heel lokaal, in een gebied met een diameter van ongeveer 200 nanometer (200 miljardsten van een meter).
Groepsleider Kobus Kuipers: “Het was fascinerend om met onze microscoop in deze zee van rustig klotsende lichtgolven opeens, schijnbaar uit het niets, zo’n monstergolf te zien ontstaan en deze even snel weer te zien verdwijnen, alsof er niets was gebeurd.”
Monstergolven temmen
De onderzoekers slaagden er ook in de monstergolven naar hun hand te zetten. Door bijvoorbeeld de ontsnappingskanalen te verbreden, konden golven ontsnappen mits ze onder de juiste hoek het kanaal wisten te raken. Doordat deze ‘lichtstralen’ konden ontsnappen, nam de kakofonie van het overgebleven licht af. Hierdoor vergrootte de kans dat het licht met zichzelf in de pas ging lopen en dus dat er een monstergolf ontstond.
De mogelijkheid om de monstergolven te temmen, maakt het ook mogelijk de grote intensiteit van de golf te gebruiken. Dat biedt toepassingen in optische chips voor snellere telecommunicatie, efficiëntere zonnecellen en gevoeligere sensoren.
Referentie
C. Liu, R.E.C. van der Wel, N. Rotenberg, L. Kuipers, T.F. Krauss, A. Di Falco, A. Fratalocchi
Triggering extreme events at the nanoscale in photonic seas
Nature Physics (2015) | DOI: http:dx.doi.org/10.1038/nphys3263
