Nano tornado vangt licht, laat faces of science Hugo Doeleman met zijn collega's zien

Soms is wetenschap heerlijk. Vandaag is zo’n dag. Deze week is eindelijk een artikel gepubliceerd in Nature Photonics waar ik heel lang aan gewerkt heb. Over licht dat eigenlijk zou moeten ontsnappen, maar dat toch niet doet. Omdat het opgesloten zit in het oog van de storm.

5 juni 2018

Het is een hele vreemde toestand voor licht: het zou gewoon mogen ontsnappen uit ons monster, dat gemaakt is van minuscule balkjes silicium-nitride op een dun glazen membraan, maar doet dat niet. Er is een onzichtbare muur die het tegenhoudt, lijkt het. Dit soort toestanden, bound states in the continuum genaamd, kortweg BIC, zijn in 1929 al voorspeld voor elektronen. Ongeveer twintig jaar geleden realiseerde men zich dat ze ook voor licht zouden moeten bestaan, maar pas in 2013 werd zo’n toestand voor licht in het lab gemeten. Wij hebben nu voor het eerst laten zien hoe het komt dat het licht hier niet kan ontsnappen.

Geen spiegels

Aanvankelijk begreep niemand hoe dit kon! Licht vangen klinkt misschien al heel exotisch, maar dat kunnen natuurkundigen al langer. Dat zijn al bekende trucs: bijvoorbeeld tussen spiegels of in een medium waarin je licht zo langzaam kunt laten bewegen dat het niet meer het juiste momentum heeft om te kunnen ontsnappen. Maar al die trucs zijn hier niet van toepassing, en toch is het licht gevangen!

We hebben laten zien dat ons monster een soort ‘licht-tornado’ kan maken.
Dawn Hudson, CC0 Publiek domein

In 2014 deden onderzoekers van Harvard, MIT en Yale in de VS een voorspelling: licht zou bij dit soort toestanden gevangen zitten omdat het in een soort draaikolk zit. Bekend was dat er één specifieke invalshoek is waarbij het licht gevangen zit; bij alle hoeken daaromheen ontsnapt wel licht. De onderzoekers ontdekten dat dit ontsnappende licht gepolariseerd is: het heeft een specifieke trillingsrichting. Die polarisatierichting, zo voorspelden ze, wervelt rondom de hoek waar het licht gevangen zit, zoals een orkaan wervelt om zijn oog. En net zoals er in het oog van de orkaan geen wind kan zijn, kan bij deze hoek geen licht ontsnappen.

Goud in handen

Eigenlijk is ons onderzoek bij toeval ontstaan. Een masterstudent in onze groep, Wouter, en ik hadden weliswaar een monster gemaakt dat zo’n bound state in the continuum (BIC) moest bevatten, maar we waren van plan er een heel ander soort metingen mee te doen. We kwamen er echter achter dat het effect dat we wilden meten, niet blijkt te bestaan in het soort monster dat we gemaakt hadden. Gelukkig vond een Amerikaanse collega plots dat artikel over de draaikolk. Wat een toeval: wij bleken precies de juiste meetopstelling te hebben om die draaikolk experimenteel te kunnen observeren! Dus change of plan.

Koeien in de tornado

We kennen tornado’s vooral als grote windhozen (hier een fragment uit de de film Twister onder regie van Jan de Bont). Maar op nanoniveau kom je iets vergelijkbaars tegen, zoals de draaikolk in dit artikel die licht kan invangen. Het is een metafoor: Net als bij de tornado de wind om het oog heen cirkelt, roteert de polarisatie van het licht dat uit het sample lekt rondom de hoek waarin het licht gevangen zit.

Na heel veel ploeteren in het lab lukte het ons om de draaikolk te meten. Daarvoor moest alles aan de meetopstelling perfect zijn, want het signaal dat we probeerden te meten is superzwak. Toen ik de laatste meting deed, wist ik dat ik goud in handen had. Zelfs de ‘rauwe’ data, zonder bewerking, zag er schitterend uit. Om de draaikolk uit de data tevoorschijn te halen, was nog een hoop analyse nodig, maar uiteindelijk is het gelukt.

Lasers in je smartphone

Allemaal leuk natuurlijk, zo’n lichttornado. Maar leidt dit tot bijvoorbeeld een spange smartphone of zo? Nou dat zou zomaar eens kunnen. Het mooie van een tornado is namelijk (behalve dat er soms koeien in vliegen) dat ze wel tegen een stootje kunnen. Kleine imperfecties in het landschap, zoals een huis of een koe, zullen de tornado hoogstens verplaatsen maar niet doen verdwijnen. Dat geldt voor grote tornado’s maar ook voor de minuscule tornado’s waar wij mee werken.

En zolang de tornado bestaat, bestaat het oog ook. Als de tornado beweegt, beweegt het oog mee. Dat betekent dat ook die BIC, die immers leeft in het oog van de lichttornado, robuust is en het licht dus langere tijd gevangen kan blijven. Dat maakt monsters als deze heel geschikt om bijvoorbeeld kleine lasers van te maken, want daarvoor is het nodig om licht een tijdje vast te houden. En die laser kan dan weer in je smartphone, bijvoorbeeld voor een ingebouwde afstandssensor: Voilà!