17 feb. 1999
2 minuten
Onderzoekers van FOM-instituut Amolf hebben met de klassieke gereedschapskist van de natuurkunde een experiment uitgevoerd waarmee ze voorspellingen kunnen doen over de kwantumwereld. Hun klassieke experiment laat zien hoe de richting waarin een kwantumlichtbron licht uitzendt, onthult wat de kwantumtoestand (spin) van de bron is.
De natuurkundigen injecteerden tollend licht in een soort mini-spiegelpaleis, een fotonisch kristal, waaruit het licht in slechts twee verschillende richtingen kon ontsnappen. De onderzoekers ontdekten dat ze konden beïnvloeden uit welke uitgang het licht ontsnapte. Ze deden dat door heel precies te kiezen op welke plek ze het licht inbrachten.
In het spiegelpaleis zitten namelijk plekken waar licht van nature gaat wervelen: het elektrische veld van het licht gaat daar in de rondte draaien. Licht dat in één richting door het spiegelpaleis reist, zou bijvoorbeeld altijd linksom draaien op zo’n wervelplek. De onderzoekers namen nu een leeg, lichtloos spiegelpaleis, en brachten met een naald wat al tollend licht naar binnen, op precies zo’n wervelplek. Als de draairichting van dit licht uit de naald overeenkwam met de natuurlijke wervelrichting op deze plek, verliet het licht het spiegelpaleis aan de ene kant. Was de draairichting van het licht uit de naald tegengesteld aan de gebruikelijke wervelrichting, dan ging het licht de andere kant op.
Kwantumwereld
Deze truc, die binnen de grenzen van de klassieke natuurkunde valt, verklapt hoe licht zich zal gedragen in de kwantumwereld. Kwantumlichtbronnen zenden namelijk vaak ook licht uit dat draait (circulair gepolariseerd is), net als het licht dat de onderzoekers in het spiegelpaleis stopten. De draairichting van het tollende licht van kwantumbronnen is direct afhankelijk is van de kwantumtoestand (spin) van de bron. Als het experiment dus zou worden herhaald met een kwantumbron, zou de kwantumtoestand de draairichting van het tollend licht, en daarmee ook de ontsnappingsrichting bepalen.
Ofwel, de ontsnappingsrichting van het uitgezonden licht laat zien wat de toestand van de lichtbron is: de richting van het uitgezonden licht is daarmee een bron van kwantuminformatie geworden.
Spiegelpaleis
Het bovengenoemde ‘spiegelpaleis’ dat de onderzoekers voor hun experiment gebruikten, is eigenlijk een fotonisch kristal dat bestaat uit een superdunne plak silicium. De dikte van de plak is slechts 220 nanometer. In het silicium is een patroon van gaten geëtst. Dat patroon zorgt ervoor het licht alle kanten op kaatst en niet zomaar kan ontsnappen, net als in een spiegelpaleis. De eigenschappen van het fotonisch kristal bepalen waar de wervelplekken zitten, en in welke richting licht op deze plekken normaal gesproken draait.
De AMOLF-onderzoekers publiceerden hun resultaten in Nature Communications: Nanophotonic control of circular dipole emission, B. le Feber, N. Rotenberg & L. Kuipers, online publicatie Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms7695
Anderen lazen ook
