Wereldprimeur: foto toont licht als golf en deeltje tegelijk

Aanschouw de allereerste foto van licht dat zich zowel als golf evenals als deeltje gedraagt.
door Tsenne Kikke - woensdag 4 maart 2015 15:41

In 2015 was men er voor het eerst in gelukt om een foto te nemen van licht dat zich tegelijk als een golf en als een deeltje voordeed.

De onderzoekers van de Zwitserse 'École Polytechnique Fédérale de Lausanne', EPFL afgekort, ontwikkelden een experiment waarmee ze de beide modaliteiten van licht tegelijkertijd konden vastleggen en publiceerden hun resultaten in het tijdschrift 'Nature Communications'.

De Nederlandse natuurkundige Christiaan Huygens dacht in de 17e eeuw dat licht een golfverschijnsel was. Tijdgenoot Isaac Newton meende juist dat licht uit deeltjes bestond. Nadat een interferentie-experiment van Thomas Young in 1801 alleen verklaard kon worden uit het golfkarakter van licht, leek de golftheorie gewonnen te hebben.

Begin 20e eeuw werd de wereld van het licht weer op zijn kop gegooid. In 1905 toonde Albert Einstein aan dat het foto-elektrisch effect alleen verklaard kon worden door aan te nemen dat licht moet bestaan uit afzonderlijke lichtdeeltjes, fotonen genaamd. Bij dat effect ontstaat een stroom elektronen als een metalen oppervlak wordt beschenen met uv-licht.

Tot in 2015 was het nooit gelukt om tegelijkertijd het golf- en het deeltjeskarakter van licht te meten. Om beide vormen in één keer te kunnen waarnemen, zetten de wetenschappers van EPFL een experiment op waarbij een laserpuls wordt afgevuurd op een stukje nanodraad van metaal. Een laser voegde energie toe aan de geladen deeltjes in de nanodraad, waardoor ze gingen trillen. Licht reisde langs deze draad in twee richtingen. Als de in tegenovergestelde richting reizende golven elkaar tegenkwamen, ontstond er interferentie en vormden ze een nieuwe golf, die eruitzag als een staande golf, waarbij het leek alsof de pieken en dalen in de lichtgolf alleen maar naar boven en naar beneden wiebelden in plaats van naar links of rechts bewogen. Deze staande golf functioneerde als uitgangspunt voor het experiment.

Tegelijkertijd werd een stroom elektronen vlak langs de nanodraad afgevuurd. De elektronen merkten de lichtgolf en gingen op sommige plekken versnellen en op andere vertragen, zoals surfers op watergolven. Door gebruik te maken van een ultrasnelle Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM, Transmission electron microscope), waarvan er op dit moment maar twee in de wereld bestaan, legden de wetenschappers zo de positie vast waar deze snelheidsverandering plaatsvond. Op die manier kon het team de staande golf weergeven.

Behalve de golf kon op deze manier ook het lichtdeeltje aangetoond worden. De elektronen die vlak langs de lichtbundel scheerden, 'raakten' de fotonen, ofwel de lichtdeeltjes. Doordat ze elkaar raakten, veranderde ook de snelheid. Die snelheidsverandering bestond uit het uitwisselen van 'energiepakketjes', de kwanta, tussen de elektronen en fotonen. Het bestaan van die energiepakketjes liet zien dat het licht op de nanodraad zich gedroeg als deeltjes.

Op de nieuwssite van de EPFL zei onderzoeker Fabrizio Carbone dat dit experiment liet zien dat we zo kwantummechanica en zijn paradoxale natuur konden filmen. "Het fotograferen en controleren van kwantumfenomenen op nanometerschaal opent nieuwe wegen richting kwantumcomputers."