Ongekend sterke interactie tussen beweging en licht

Als een gitaarspeler het volume van de versterker volledig opvoert, worden de ‘schone’ harmonische trillingen van de gitaarsnaren omgezet in vervormde geluidsgolven. Dit ‘vieze’ geluid is vaak precies de bedoeling: het scheuren van opgevoerde gitaarversterkers heeft het geluid van rockmuziek decennia bepaald.

Samengeperst licht

De Photonic Forces groep van Amolf bestudeert de interactie van licht met de beweging van silicium snaren op nanoformaat, die miljoenen keren per seconde trillen als kleine gitaarsnaren. De onderzoekers gebruiken licht om deze trillingen met extreme precisie te meten. Promovendus Rick Leijssen en zijn collega’s ontwikkelden snaren met een specifieke vorm die het licht samenpersen tot op enkele tientallen nanometers. "Door dat samenpersen wordt de mechanische beweging ongekend goed omgezet in lichtsignalen. Dit is een grote stap voorwaarts en maakt bewegingssensoren met extreme precisie mogelijk", zegt Leijssen. "Zulke sensoren zouden trillingen kunnen detecteren met amplitudes zo klein als de grootte van een proton en kunnen worden toegepast om heel kleine krachten en massa’s te meten".

Verwrongen signalen

De recordconversie van beweging naar licht in de nanosnaren heeft een bijeffect. De conversie is zo sterk dat zelfs voor de kleinste intrinsieke trillingen van de snaar het licht ‘overstuurd’ raakt, analoog aan wat er gebeurt in rockgitaarversterkers. Verhagen: "Net als in het scheurende geluid van een overstuurde versterker bevatten de lichtsignalen in ons experiment veel ‘boventonen’ van de fundamentele snaarfrequentie. Dit komt omdat de conversie tussen beweging en licht niet langer lineair is."

Kwantummechanisch gedrag onthullen

In zekere zin vormt deze niet-lineaire conversie een praktische limiet voor de bewegingsgevoeligheid. De vervormde lichtsignalen kunnen echter handig worden gebruikt. De Amolf-fysici bestuderen kleine snaartrillingen namelijk onder andere om te onderzoeken of de snaren zich gedragen volgens de wetten van kwantummechanica. Postdoc-onderzoeker Juha Muhonen: "De ‘boventonen’ van de geproduceerde lichtsignalen bevatten verschillende soorten informatie over de beweging van de nanosnaren. Zo hebben we laten zien dat we er heel precies de energie van de trilling mee kunnen bepalen. Dit kan leiden tot directe waarneming van gekwantiseerde energie in de snaar, zoals we zouden verwachten uit de theorie van kwantummechanica."

Rick Leijssen, Giada R. La Gala, Lars Freisem, Juha T. Muhonen en Ewold Verhagen, Nonlinear cavity optomechanics with nanomechanical thermal fluctuations, Nature Commun. 2017 (DOI: 10.1038/ncomms16024)