De allereerste foto van licht als golf en als deeltje (video)

Als UV-licht valt op een metalen oppervlak, veroorzaakt dat een elektronenemissie. Albert Einstein verklaarde dit ‘foto-elektrische’ effect door aan te nemen dat licht – waarvan men dacht dat het alleen een golf was – ook een stroom van deeltjes is. Maar hoewel in de meest uiteenlopende experimenten het golf- en het deeltjes-gedrag wel kon worden waargenomen, lukte dat nog niet gelijktijdig,

Nieuwe benadering van een klassiek effect

Een researchteam op EPFL heeft nu, onder leiding van Fabrizio Carbone, een experiment uitgevoerd met een slimmigheidje: ze gebruikten elektronen om licht af te beelden. Zo maakten zij voor het eerste een foto van licht dat zich tegelijkertijd gedraagt als golf en als een stroom deeltjes.

Het experiment is als volgt opgezet: een puls laserlicht wordt afgevuurd op een minuscule metalen nanodraad. De laser voegt energie toe aan de geladen deeltjes in de nanodraad, die daardoor in trilling komen. Het licht verplaatst zich langs deze draad in twee mogelijke richtingen, zoals auto’s op een snelweg. Als licht uit twee tegengestelde richtingen bij elkaar komt, wordt een nieuwe golf gevormd die stil op zijn plaats lijkt te staan. Deze staande golf wordt de lichtbron voor het experiment.

Truc

Hier wordt de truc van het experiment toegepast: de onderzoekers schoten een stroom elektronen vlak bij de nanodraad en gebruikten die om een beeld te vormen van de staande lichtgolf. Bij de interactie tussen de elektronen en het ingesloten licht op de nanodraad worden die elektronen versneld of vertraagd. Met een ultrasnelle microscoop wordt de positie vastgelegd waar de snelheidsverandering optreedt. Zo kon het team van Carbone de staande golf visualiseren, als een ‘vingerafdruk’ van het golfgedrag van licht.

Dit fenomeen toont de golf-aard van licht, naar demonstreert tegelijk het deeltjes-aspect. Als de elektronen de staande lichtgolf van dichtbij passeren, ‘raken’ ze lichtdeeltjes – de fotonen. Daardoor gaan ze sneller of langzamer bewegen. De snelheidsverandering manifesteert zich als een uitwisseling van ‘energiepakketten’ (quanta) tussen elektronen en fotonen. Het optreden van deze energiepakketten toont aan dat het licht op de nanodraad zich gedraagt als deeltje.

Kwantumcomputer

"Dit experiment demonstreert dat we – voor het eerst – kwantummechanica en de paradoxale aard ervan, direct kunnen filmen", zegt Fabrizio Carbone. Dit fundamentele pionierswerk is ook van belang voor toekomstige technologieën. Carbone: "Als we kwantumfenomenen op nanometerschaal kunnen afbeelden en besturen openen we nieuwe wegen voor de kwantumcomputer:

Het onderzoek is uitgevoerd in een samenwerkingsverband van het Laboratory for Ultrafast Microscopy and Electron Scattering van EPFL, het Department of Physics van het Trinity College (VS) en het Physical and Life Sciences Directorate van het Lawrence Livermore National Laboratory. De beeldvorming is uitgevoerd met de ultrasnelle energie-gefilterde transmissie-elektronenmicroscoop bij EPFL; daarvan zijn er maar twee op de wereld.

Piazza L, Lummen TTA, Quiñonez E, Murooka Y, Reed BW, Barwick B, Carbone F. Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature Communications 02 March 2015. DOI: 10.1038/ncomms7407