De rol van vectoren: een verhaal over duisternis in lichtgolven
In licht is vaak ook duisternis aanwezig. Zoals bij een optische vortex, een punt waar de amplitude van het licht nul is en waar het omheen draait als een kurkentrekker. Als we een vortex op een plat oppervlak projecteren ziet dat er uit als een ring van licht met een donkere plek in het midden. Onderzoekers uit de groep van Kobus Kuipers hebben bestudeerd hoe donkere optische vortices ten opzichte van elkaar over de ruimte zijn verdeeld. Zij hebben aangetoond dat de vectoriële aard van licht daarbij een belangrijke rol speelt. De kans om nog een vortex aan te treffen hangt af van de kijkrichting: of deze langs de richting van het vectorveld loopt of dat deze daar haaks op staat. De onderzoekers hebben hun bevindingen op 23 augustus gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.
Een vloeistof van vortices
Als een groot aantal golven vanuit alle richtingen samenkomt, vertoont het resulterende wanordelijke interferentiepatroon optische vortices. Dat geldt voor alle golven. Onderzoekers Mark Dennis en Michael Berry (Bristol, UK) voorspelden dat voor golven die geen specifieke trilrichting hebben (scalaire golven), de vortices over de ruimte verdeeld zouden zijn zoals de ionen in een ionenvloeistof. De verdeling is wanordelijk maar niet volkomen. Voor een willekeurige vortex is de kans om op een bepaalde afstand nog een vortex aan te treffen niet overal hetzelfde: heel dichtbij is de kans laag, dan wordt hij hoger, dan lager, dan hoger, etc…, met een afstand tussen de maxima van een halve golflengte. Naarmate de afstand toeneemt, neemt het verschil tussen de hoge en lage kansen af totdat de kans constant is. De posities hangen dus met elkaar samen: er is correlatie. De kans om op een bepaalde afstand nog een vortex aan te treffen is echter ook afhankelijk van of de vortices een gelijke lading hebben, dat wil zeggen of hun kurkentrekkervorm allebei linksdraaiend danwel rechtsdraaiend is of juist niet. In tegenstelling tot de ionen in een vloeistof kunnen vortices met tegengestelde ladingen elkaar zo dicht naderen als ze willen, omdat zij oneindig klein zijn. Net als in een vloeistof is de kansverdeling van vortices in scalaire velden onafhankelijk van richting: er is geen voorkeursrichting. Als we echter lichtgolven beschouwen, mogen we niet uit het oog verliezen dat het lichtveld een vectorveld is. Het elektromagnetische veld waaruit lichtgolven bestaan trilt in een bepaalde richting, en de vector van die richting hangt samen met de richting waarin de golf beweegt.
Gecorreleerde vortices – of juist niet
In hun paper tonen de onderzoekers aan dat de verdeling van de optische vortices in wanordelijke lichtgolven juist sterk wordt beïnvloed door het feit dat licht een vector is. Door licht te vangen in een chaotische trilholte, creëerden de onderzoekers een wanordelijk lichtveld. Met een speciale microscoop bepaalden ze vervolgens de relatieve posities en ladingen van duizenden vortices. Daarnaast brachten ze de lokale veldvectoren van het licht in kaart. Daaruit bleek duidelijk dat de ruimtelijke verdeling van de vortices een voorkeursrichting heeft gekregen: het maakt verschil of je een tweede vortex zoekt langs de trilrichting van het veld of juist loodrecht erop. Eerste auteur Lorenzo De Angelis vertelt: “Het is intrigerend om te zien dat, afhankelijk van de richting waarin je op zoek gaat naar de volgende, vortices op grote afstand van elkaar alsnog gecorreleerd kunnen zijn. Of juist niet. Dat hangt ervan af of je in de richting van het veld kijkt of haaks daarop.”
De ideeën en methodes die de onderzoekers presenteren zijn niet alleen van toepassing op wanordelijke lichtgolven, maar kunnen worden gebruikt voor elke fysische grootheid die door een vectorgolf wordt beschreven.
Referentie:
L. De Angelis, F. Alpeggiani, A. Di Falco en L. Kuipers, Spatial distribution of phase singularities in optical random vector waves, Physical Review Letters 117, 093901 (2016), DOI 10.1103/PhysRevLett.117.093901
