Licht vertoont sociaal gedrag

Gecondenseerd licht is een voorbeeld van een ‘Bose-Einstein condensaat’. De theorie is er al 100 jaar, maar onderzoeker Jan Klärs en zijn collega’s laten nu het effect zien op kamertemperatuur. Hiervoor hebben ze een microformaat spiegel gecreëerd met kanaaltjes waarin de fotonen stromen als een vloeistof. Wat blijkt: ze proberen daar ook bijeen te blijven als een groep, door het pad te kiezen dat de laagste verliezen geeft.

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Een Bose-Einstein condensaat (BEC) is een soort golf waarin de afzonderlijke deeltjes niet meer zijn waar te nemen: het is een materiegolf of ‘supervloeistof’ die typisch wordt gevormd bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Helium bijvoorbeeld, wordt bij die temperatuur een supervloeistof met eigenschappen die een gewone vloeistof niet heeft. Het fenomeen is voorspeld door Albert Einstein, op basis van het werk van Satyendra Nath Bose, zo’n 100 jaar geleden, en is genoemd naar beiden. Een foton is een van de typen bosonen die in staat zijn om een Bose-Einsteincondensaat te vormen. De spiegelstructuur die de UT-onderzoekers nu presenteren, met daarin kanaaltjes, maakt dat fotonen als een supervloeistof bewegen, in een duidelijke voorkeursrichting. Extreem lage temperaturen zijn niet nodig, het werkt op kamertemperatuur.

Fotonen blijven liever bijeen

De structuur is de bekende ‘Mach-Zehnder interferometer’, waarin een kanaal opsplitst in twee kanalen en verderop weer samenkomt. In deze interferometers wordt het golfkarakter van licht gedemonstreerd, waarin een foton tegelijk in beide kanalen kan zijn. Maar nu heeft het licht bij het punt waar de kanalen weer samenkomen twee opties: kies een kanaal met een open eind of een kanaal dat is afgesloten. Jan Klärs en zijn collega’s vonden dat de vloeistof in staat is zélf te kiezen door de trilfrequentie aan te passen. In dit geval proberen de fotonen bijeen te blijven door het pad te kiezen dat de laagste verliezen geeft – het kanaal dat afgesloten is aan het eind. Je zou het sociaal gedrag kunnen noemen, aldus Klärs. Bekend is dat andere typen deeltjes, zoals fermionen, liever gescheiden blijven.

Geen ontsnapping mogelijk

De spiegelstructuur heeft overeenkomsten met die van een laser, waarin ook licht wordt weerkaatst tussen twee spiegels. Het verschil zit in de extreem hoge reflectie van de spiegels: tot 99,9985 procent. Deze waarde is zo hoog dat de fotonen nauwelijks de kans krijgen te ontsnappen, ze worden opnieuw geabsorbeerd. In dit stadium begint het fotongas dezelfde temperatuur aan te nemen als kamertemperatuur door te thermaliseren. Het lijkt dan, technisch gezien, op de straling van een zwart lichaam: straling in thermisch evenwicht met de materie. Deze ‘thermalisatie’ is het cruciale verschil tussen een normale laser en een Bose-Einstein condensaat van fotonen.

Het mysterie van licht

Bose-Einstein condensaten spelen ook een belangrijke rol in supergeleiders, waarin de elektrische weerstand naar nul gaat. De nu gepresenteerde fotonische microstructuur zou als een soort basis-rekenblokje kunnen dienen om problemen als het ‘travelling salesman’-probleem op te lossen. Maar veel meer nog dan dat, laat het ons opnieuw zien hoe verrassend licht zich kan gedragen.