Licht dat draait als een nautilusschelp

Speciale lichtstraalvormen, optische wervelingen, die lijken op die van een kurkentrekker, worden gebruikt in geavanceerde microscopen en datatransmissie. Onderzoekers van Harvard University hebben nu een nieuwe vorm ontwikkeld. Maar wel een die Moeder Natuur al langer gebruikt.

In de nieuwe optische werveling roteert de lichtstaal niet alleen terwijl hij zich voortbeweegt, maar verandert op verschillende locaties ook met een andere snelheid. Dat levert unieke patronen op. Het licht lijkt zich hierbij te gedragen volgens de logaritmische spiraalvormen die je in de natuur ziet in bijvoorbeeld nautilusschelpen en zonnebloemzaadjes.

Nieuw gedrag

“Dit is een nieuw gedrag van licht dat bestaat uit een optische werveling die zich door de ruimte voortplant en op ongebruikelijke manieren verandert”, aldus  Frederica Capasso. In zijn laboratorium aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) aan Harvard, is de optische werveling voor het eerst gecreëerd. “Het is mogelijk nuttig voor het manipuleren van kleine materie.” Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances.

‘optical rotatum’

De nieuwe optische werveling kreeg van de onderzoekers de naam ‘optical rotatum’, ontleend aan de klassieke mechanica. In de newtoniaanse natuurkunde is ‘rotatum’ de snelheid waarmee het koppel op een voorwerp in de loop van de tijd verandert.

Eerste auteur Ahmed Dorrah, een voormalig onderzoeksmedewerker in Capasso’s lab, is nu assistent-professor aan de Technische Universiteit Eindhoven. “Hopelijk kunnen we anderen die gespecialiseerd zijn in toegepaste wiskunde inspireren om deze lichtpatronen verder te bestuderen en unieke inzichten te krijgen in hun universele signatuur.”

Potentiële toepassingen

Het onderzoek bouwt voort op eerder werk waarin het team een meta-surface gebruikte, een dunne lens geëtst met lichtbuigende nanostructuren. Hiermee kun je een lichtstraal maken met gecontroleerde polarisatie en een orbitaal impulsmoment langs het voortbewegingstraject. Licht krijgt hierdoor een andere structuur, terwijl het zich voortbeweegt. Nu hebben ze nog een vrijheidsgraad toegevoegd en kan ook het ruimtelijke koppel veranderen terwijl het licht zich voortplant.

Potentiële toepassingen voor zo’n exotische lichtstraal zijn onder andere de besturing van zeer kleine deeltjes, zoals colloïden in suspensie. Onder invloed van een nieuwe kracht uit het ruimtelijk koppel, zou ook een nauwkeurig optische pincet voor micromanipulatie van kleine objecten wellicht mogelijk zijn.