Nanodeeltjes laten licht onverwachts sneller bewegen

Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF hebben een verrassend effect waargenomen tijdens experimenten waarbij ronddraaiend licht zit ‘opgesloten’ in een holte. Ze stelden vast dat de aanwezigheid van nanodeeltjes vlakbij de holte, de snelheid van het ronddraaiende licht kan vergroten. Dat druist in tegen de 70 jaar oude verwachting dat de brekingsindex van de deeltjes de lichtsnelheid voorspelt. In dat geval zouden de nanodeeltjes het licht juist vertragen. Straling van de deeltjes blijkt verantwoordelijk voor het verrassende effect. De deeltjes zorgen er bovendien voor dat het licht langer opgesloten blijft in de holte. Omdat het meten van dit soort veranderingen van de lichtsnelheid de basis vormt voor extreem gevoelige sensoren, is dit een belangrijke constatering. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 11 november in Physical Review Letters.

Brekingsindex
Voor het experiment gebruikten de onderzoekers een donutvormige glazen holte waarin het licht lange tijd kan ronddraaien. Vlakbij de donut plaatsten ze gouden nanodeeltjes. De onderzoekers zagen tot hun verbazing dat het licht onder invloed van de nanodeeltjes sneller ging bewegen, en ook langer dan verwacht in de holte opgesloten bleef. Tot nu toe dachten wetenschappers dat het tegenovergestelde zou gebeuren; het licht zou vertragen omdat de hoge brekingsindex van de nanodeeltjes de lichtsnelheid in de donut verandert.

Straling
De opmerkelijke resultaten van het experiment zijn toe te schrijven aan de straling die de nanodeeltjes en de holte uitzenden. Het ontsnappende licht reageert met de straling van de nanodeeltjes waardoor de lichtsnelheid in de holte toeneemt. AMOLF-promovendus Freek Ruesink: “Er is altijd gedacht dat het effect van straling verwaarloosbaar is, met name bij een perfect gevormde holte zoals wij die gebruiken. Alleen de brekingsindex zou invloed uitoefenen op de lichtsnelheid. Die aanname blijkt niet juist te zijn. Onze experimenten laten zien dat dit stralingseffect de invloed van de brekingsindex zelfs kan overschaduwen.”

Sensoren en andere systemen
Het experimenteel aantonen van deze invloed van straling op de lichtsnelheid is van belang voor de ontwikkeling van sensoren. Veel moderne gevoelige sensoren zijn gebaseerd op nauwkeurige metingen van de lichtsnelheid. Daarnaast kunnen de resultaten een aanzet zijn voor onderzoek naar allerlei systemen waarbij straling of andere vormen van energieverlies een rol spelen. Onderzoeksleider Ewold Verhagen: “Het is verleidelijk om het feit dat systemen energie verliezen door wrijving, weerstand of straling te verwaarlozen. Dit maakt de beschrijving van natuurkundige fenomenen, zoals geluidstrillingen en elektrische stromingen, eenvoudiger. De onverwachte relevantie van energieverlies leert ons dat het nuttig kan zijn ook andere systemen opnieuw te beoordelen.”

Referentie
“Perturbing Open Cavities: Anomalous Resonance Frequency Shifts in a Hybrid Cavity-Nanoantenna System”, Freek Ruesink, Hugo M. Doeleman, Ruud Hendrikx, A. Femius Koenderink, en Ewold Verhagen, Physical Review Letters
Het artikel is op 11 november 2015 online gepubliceerd.

Figuur: Een glazen microdonut op een pilaar van silicium. Lichtgolven (blauwe pijl) kunnen tot wel een miljoen keer rondzingen in de  holte voordat het ontsnapt (groene pijl). Als het ontsnappende licht uit de glazen  holte interfereert met de lichtgolf van het nanodeeltje (oranje), dan gaat het licht in de  holte sneller bewegen in plaats van langzamer.