Kaneelolie verslaat de natuurkundige wet van behoud van impuls

Wetenschappers van Amolf en de Universiteit van Madrid hebben unieke en spontane symmetriebreking in een metalen rooster waargenomen en beschreven. Door het rooster met olie te bedekken, creëerden ze een niet-lineaire optische respons met geheugen in het systeem. Dit resulteerde in asymmetrische diffractie, ook al waren het rooster en de belichting symmetrisch. Dergelijk gedrag opent mogelijkheden voor een betere resolutie in beeldvormings- en sensormethoden met roosters.

De wetenschappers publiceerden hun bevindingen in Physical Review Letters.

Het is een eenvoudig experiment dat de meeste natuurkundestudenten tijdens hun studie doen: een laser op een rooster schieten en het diffractiepatroon observeren. “Symmetrie is wat je zult zien”, zegt Said Rodriguez, hoofd van de Interacting Photons-groep bij Amolf. “Maar wij hebben een rooster gemaakt waarbij de symmetrie van het diffractiepatroon spontaan kan breken.”

Olie voor niet-lineaire optica

Het rooster dat door de onderzoekers is bestudeerd, vertoont een fenomeen dat bekendstaat als bistabiliteit. Dit betekent dat er twee mogelijke outputs zijn voor dezelfde input. In dit geval kan de brekingsindex van een materiaal dat het rooster bedekt, twee verschillende waarden hebben voor een bepaald laservermogen. Bijgevolg kunnen er twee verschillende diffractiepatronen worden waargenomen bij een bepaald vermogen. Welke wordt waargenomen, hangt af van of het laservermogen toeneemt of afneemt.

In het verleden werkte Rodriguez met metalen roosters en onderzocht hij bistabiliteitsverschijnselen in de optica. Hij vroeg zich af of hij deze kon combineren en bistabiliteit kon creëren in een metalen rooster. “Toen we onze eerste experimenten met olie in optische holtes deden, ontdekten we verschillende verschijnselen die voortkwamen uit een interessante eigenschap van kaneelolie: als de temperatuur stijgt, verandert de brekingsindex van de olie en op een gegeven moment wordt het systeem bistabiel”, zegt hij. “Toen we een druppel olie op een rooster legden en het met een laserstraal verlichtten, gebeurden er onmiddellijk interessante dingen in het bistabiele regime.”

Meerdere symmetrieën verbroken en hersteld

Bij een laag laservermogen zagen Rodriguez en zijn team een ​​typisch diffractiepatroon met gelijke lichtintensiteit aan beide kanten van de laserstraal. Maar toen ze het laservermogen verhoogden en de olie warmer werd, verdween de symmetrie van het diffractiepatroon spontaan en verscheen weer. Dit betekende dat verschillende symmetrieën in het systeem spontaan braken en herstelden, ook al was de symmetrie van het experiment niet veranderd.

De periodiciteit van het rooster werd niet langer vertaald naar het resulterende diffractiepatroon en de spiegelsymmetrie van het patroon werd ook verbroken; diffractie naar de linker- en rechterkant van de straal was niet langer even helder. En omdat het diffractiepatroon willekeurig kon gaan oscilleren, brak ook de tijdsymmetrie.

Theoretische basis

De onderzoekers realiseerden zich dat de natuurkundige wet van behoud van impuls niet langer van toepassing was op hun systeem. “Dit was een grote claim om te maken, dus we hadden een grondige theoretische demonstratie van onze resultaten nodig”, zegt Rodriguez, die daarom zijn Spaanse collega’s vroeg om de theorie te ontwikkelen die hij nodig zou hebben om de bevindingen te verklaren. “Dit was niet eenvoudig, omdat de methoden in de theoretische natuurkunde gebaseerd zijn op symmetrie en behoudswetten, terwijl wij wilden bewijzen dat deze symmetrieën konden worden verbroken op het niveau van de goed gevestigde Maxwell-vergelijkingen.”

Hoewel het gecombineerde werk van Amolf en de Universiteit van Madrid nieuwe inzichten in de natuurkunde onthult die behoorlijk fundamenteel zijn, ziet Rodriguez mogelijkheden om ze toe te passen in beeldvorming en sensing. “Veel technieken in spectroscopie, beeldvorming en informatieverwerking zijn gebaseerd op roosters”, legt hij uit. “In een lineair regime reageren roosters meestal alleen op licht dat vanuit specifieke hoeken komt, maar in dit niet-lineaire regime kunnen roosters een veel rijkere hoekrespons hebben. Je kunt dus over een veel breder bereik aan hoeken meten en ook veel kleinere kenmerken oplossen met zo’n optisch rooster.”