Natuurkundigen vangen licht in het oog van een storm

"Het is alsof je licht opsluit in een gevangenis met onzichtbare muren", zegt onderzoeker Hugo Doeleman van Amolf. "Het licht kan alle kanten op, maar doet dat niet."

Doeleman vertelt dat veel mensen in zijn vakgebied gefascineerd zijn door een in 2013 ontdekt verschijnsel dat ook in licht kan optreden: een bound state in the continuum, oftewel Bic. Men spreekt over een Bic als lichtgolven ergens gevangen blijven zitten, zonder dat er iets is dat ze tegenhoudt.

In 2014 voorspelde een groep onderzoekers van MIT, Harvard en Yale dat deze Bics het middelpunt zijn van een soort wervel van licht. Doeleman heeft nu met collega’s het bestaan van die wervel experimenteel bewezen. Ze wisten een lichtorkaan te maken en aan te tonen dat het licht inderdaad is ingesloten in een zogeheten polarisatiewervel: het licht kan niet ontsnappen uit het oog.

Twee lichtresonatoren

Om een Bic te maken, is een sample nodig waarin invallend laserlicht door twee afzonderlijke lichtresonatoren wordt verstrooid. Amolfs sample bestond uit een rij siliciumnitride balkjes op een dun, glazen membraan. Door de interferentie tussen het licht uit beide resonatoren ontstaat er een draaikolkachtige vorm in de polarisatierichting van het licht. Dit gebeurt rondom het punt waar het licht opgesloten zit: het oog. "In het oog van de draaikolk zijn de resonatoren precies zo uitgebalanceerd dat ze elkaar door interferentie uitdoven. En zo vormt zich de onzichtbare muur die het licht opsluit.

Fotonica

"Bijzonder is dat de wervel het ogenschijnlijk gevangen licht ‘robuust’ maakt. Zolang de wervel er is, is er een oog. Kleine imperfecties kunnen de wervel wel verplaatsen of vervormen, maar dan beweegt het oog mee. Pas als de wervel helemaal verdwijnt, verdwijnt ook het opgesloten licht." Dat kan handig zijn voor toepassingen in de fotonica: het betekent dat de lichtorkaan tolerant is voor afwijkingen, die altijd voorkomen.

Op termijn zouden lichtorkanen nuttig kunnen zijn bij de fabricage van kleine lasers. Doeleman: "Om een goede laser te maken, moet je licht een tijd kunnen vasthouden en concentreren." Zo’n kleine laser zou je vervolgens kunnen plaatsen op een fotonische chip. "Maar dat is de lange termijn. Nu zijn we vooral gegrepen door het fenomeen zelf. We staan nog aan het begin van het ontdekken wat er allemaal mee kan."