Precies mikken, toch missen; middelpunt van atoom verschuift door Magnus-effect

Wie met een laser heel precies op een atoom mikt, kan er toch naast zitten – zelfs als de bundel perfect is uitgelijnd. Bij sterk gefocusseerd licht blijkt de plek waar een atoom het krachtigst reageert namelijk iets verschoven ten opzichte van het verwachte middelpunt.

Het verschijnsel is een optische variant van het Magnus-effect. Dat effect is vooral bekend uit de sport: een draaiende voetbal kan tijdens zijn vlucht afbuigen doordat de rotatie de luchtstroming rond de bal beïnvloedt. Op atomaire schaal blijkt iets vergelijkbaars te gebeuren wanneer een atoom wordt blootgesteld aan een sterk gefocusseerde laserstraal.

Normaal gesproken ligt het voor de hand dat een atoom het sterkst reageert in het centrum van de laserbundel, waar het licht het meest intens is. Bij een sterk gefocusseerde bundel blijkt het interactiepunt echter iets opzij te verschuiven. Het atoom gedraagt zich daarbij als het ware als de draaiende voetbal, terwijl het laserlicht de rol van de omringende lucht overneemt. Natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam hebben samen met collega’s uit Zürich dit merkwaardig fenomeen experimenteel geverifieerd. UvA-onderzoeker Robert Spreeuw voorspelde deze optische variant van het Magnus-effect enkele jaren geleden al. Experimenteel bewijs ontbrak tot nu toe.

Om het effect te meten, werkten de onderzoekers van het UvA Institute of Physics samen met de Ion Trap Quantum Computing-groep van ETH Zürich en de PSI Quantum Computing Hub. Ze gebruikten een calciumion als uiterst gevoelige sonde om het lichtveld van een zogenoemd optisch pincet te onderzoeken. Zo’n optisch pincet bestaat uit sterk gefocusseerd laserlicht en kan worden gebruikt om individuele atomen en ionen vast te houden en te manipuleren. Door de eigenschappen van zowel het ion als het laserlicht te variëren, konden de onderzoekers bepalen waar de interactie het sterkst was.

Rechtstreekse waarneming

De metingen lieten verschuivingen van enkele honderden nanometers zien. Dat is duizenden keren groter dan het calciumion zelf. Daarmee konden de onderzoekers het eerder voorspelde optische Magnus-effect rechtstreeks waarnemen en karakteriseren. De experimenten bevestigen bovendien eerdere theoretische berekeningen over wat er gebeurt wanneer laserlicht zeer sterk wordt gefocusseerd. In dat geval wordt de interne structuur van het lichtveld belangrijk en kan het punt waarop het licht met een atoom reageert verschuiven.

Het effect is meer dan een natuurkundige curiositeit. Optische pincetten worden onderzocht als middel om atomen en ionen zeer nauwkeurig aan te sturen in quantumcomputers. Daarbij kunnen zelfs kleine afwijkingen invloed hebben op de werking van qubits. Het optische Magnus-effect kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat ontwerpers van quantumcomputers mogelijk rekening moeten houden met de verschuiving wanneer zij qubits met sterk gefocusseerde lasers aansturen. Tegelijkertijd kan het effect juist ook worden benut. Door de verschoven interactie gecontroleerd op te wekken, ontstaan mogelijk nieuwe manieren om qubits te manipuleren en quantumpoorten uit te voeren.