Amsterdamse natuurkundigen vangen licht in het oog van de storm

In het midden van een orkaan is het rustig; zonder orkaan geen oog, zonder oog geen orkaan. Maar niet alleen orkanen hebben een oog blijkt nu. Natuurkundigen van onderzoeksinstituut AMOLF en de Universiteit van Amsterdam hebben namelijk licht gevangen in het oog van een lichtwervel. “Het licht kan alle kanten op, maar doet dat niet”, aldus onderzoeker Hugo Doeleman. Het onderzoek verschijnt vandaag in toptijdschrift Nature Photonics.

“Het is een raar fenomeen, alsof je licht opsluit in een gevangenis met onzichtbare muren”, aldus Hugo Doeleman van de AMOLF-groep Resonant Nanophotonics en de Universiteit van Amsterdam. Doeleman vertelt dat veel mensen in zijn vakgebied gefascineerd zijn door een in 2013 ontdekt verschijnsel. Dit verschijnsel, dat natuurkundegrootheden Von Neumann en Wigner in 1929 voor elektronen hadden bedacht, bleek ook in licht op te kunnen treden. In jargon heet dit verschijnsel een BIC, bound state in the continuum. Men spreekt over een BIC als lichtgolven ergens gevangen blijven zitten, zonder dat er iets is dat ze tegenhoudt. “Het licht zou naar buiten kunnen, maar doet dat niet”, aldus Doeleman.

In 2014 voorspelde een groep onderzoekers van MIT, Harvard en Yale dat deze BICs het middelpunt zijn van een soort wervel van licht. Doeleman heeft nu met zijn collega’s Wouter den Hollander en Femius Koenderink het bestaan van die wervel experimenteel bewezen. Ze wisten een lichtorkaan te maken en aan te tonen dat het licht inderdaad is ingesloten in een zogeheten polarisatiewervel: het licht kan niet ontsnappen uit het oog. De Amsterdamse onderzoekers werkten in dit onderzoek samen met twee gastonderzoekers uit de Verenigde Staten, Francesco Monticone en Andrea Alù.

Om onverwacht opgesloten licht, oftewel een BIC, te maken, is een sample nodig waarin invallend laserlicht door twee afzonderlijke lichtresonatoren – een soort klankkasten voor licht –  wordt verstrooid. Het sample dat op AMOLF is gemaakt, bestond uit een rij siliciumnitride balkjes op een dun, glazen membraan. Door de interferentie tussen het licht uit beide klankkasten vormt er een draaikolkachtige vorm in de polarisatierichting van het licht. Dit gebeurt rondom het punt waar het licht opgesloten zit – het oog. Doeleman ontwikkelde samen met de gastonderzoekers een model, waarmee de onderzoekers laten zien wat er in hun sample gebeurt. “In het oog van de draaikolk zijn de twee klankkasten precies zo uitgebalanceerd dat ze elkaar door interferentie uitdoven, en zo vormt zich dan de onzichtbare muur die het licht opsluit.”

Bijzonder is dat de wervel het ogenschijnlijk gevangen licht robuust maakt, aldus Doeleman. “Zolang de wervel er is, is er een oog. Kleine imperfecties kunnen de wervel wel verplaatsen of vervormen, maar dan beweegt het oog mee. Net zoals bij een orkaan: als deze beweegt, beweegt het oog mee. Pas als de wervel helemaal verdwijnt, verdwijnt ook het opgesloten licht.” Dat zal handig zijn voor toepassingen in de fotonica; het betekent dat de lichtorkaan tolerant is voor afwijkingen, die altijd voorkomen.

Op termijn zouden lichtorkanen nuttig kunnen zijn bij de fabricage van kleine lasers. Doeleman: “Om een goede laser te maken, moet je licht namelijk een tijd kunnen vasthouden en concentreren.” Zo’n kleine laser zou je vervolgens kunnen plaatsen op een fotonische chip. “Maar dat is de lange termijn. Nu zijn we vooral gegrepen door het fenomeen zelf. We staan nog aan het begin van het ontdekken wat er allemaal mee kan.”

Referentie
Experimental observation of a polarization vortex at an optical bound state in the continuum, Hugo M. Doeleman, Francesco Monticone, Wouter den Hollander, Andrea Alù, A. Femius Koenderink,  04.06.18, Nature Photonics. Doi: 10.1038/s41566-018-0177-5

Hugo Doeleman (credits: Lukas Helmbrecht)