Dubbelspleten experiment: lichtgolven persen door tijdsleten
Natuurkundigen hebben het beroemde dubbelspletenexperiment nagebootst, maar met tijdelijk in plaats van ruimtelijk gescheiden spleten. Dit bracht verrassende resultaten aan het licht.
Veel mensen zullen zich het experiment herinneren uit de natuurkundelessen: als licht op twee smalle, evenwijdige spleten valt, wordt het gebroken en creëert het een interferentiepatroon van donkere en lichte strepen op een observatiescherm erachter. Het dubbelspleten experiment werd voor het eerst uitgevoerd door Thomas Young in 1802 en werd beschouwd als bewijs dat licht zich gedraagt als een golf. Later werd het herhaald met elektronen, atomen en zelfs hele moleculen, waarmee werd aangetoond dat deeltjes zich ook als golven kunnen gedragen. De zogenaamde golf-deeltje dualiteit van kwantumobjecten is een van de belangrijkste verklaringen van de kwantummechanica.
Nu hebben natuurkundigen van het Imperial College in Londen het beroemde experiment nagebootst en laten zien dat een soortgelijk interferentie-effect kan optreden als licht door tijdelijk gescheiden spleten wordt geleid in plaats van ruimtelijk gescheiden spleten: Een soort spiegel die extreem snel aan en uit kan worden gezet veroorzaakt interferentie in een laserpuls, net als een dubbele spleet, maar hierdoor verandert de puls van kleur. Het team beschrijft de resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift "Nature Physics".
De wetenschappers onder leiding van Romain Tirole gebruikten een infraroodlaser om een dunne laag indiumtinoxide te bombarderen, een halfgeleidend materiaal dat ook wordt gebruikt voor smartphoneschermen. Onder normale omstandigheden is het transparant voor infrarood licht, wat betekent dat zulke lichtstralen er gewoon ongehinderd doorheen gaan. De natuurkundigen gebruikten echter een tweede laser die de optische eigenschappen van de halfgeleider voor korte momenten veranderde: het licht dat gedurende deze tijd binnenkomt wordt gereflecteerd. Toen ze met de tweede laser twee ultrakorte pulsen afvuurden met een tussenpoos van enkele tientallen femtoseconden - en de spiegel dus twee keer kort na elkaar inschakelden - zagen ze dat de golfvorm van het gereflecteerde laserlicht en dus de kleur veranderde. Ze hadden het licht door "tijdsspleten" gestuurd.
Bron: Wikipedia
In de klassieke versie van het dubbelspletenexperiment treden twee natuurkundige verschijnselen op: Diffractie en interferentie. Het eerste wordt veroorzaakt doordat het licht door een extreem smalle spleet wordt geleid - de positie van de lichtdeeltjes, die kwantumobjecten zijn, ligt dus vast. Het Heisenberg onzekerheidsprincipe vereist dat de bewegingsrichting niet precies kan worden voorspeld: de lichtgolf waaiert uit achter de spleet. Hetzelfde gebeurt bij de naastgelegen spleet, zodat beide golven interfereren achter de dubbele spleet. Net als golven op een wateroppervlak versterken en verzwakken de bewegingen, de minima en maxima van het interferentiepatroon worden verdeeld over het scherm onder een bepaalde hoek ten opzichte van de lichtbron.
De diffractie bij de "tijdspleet" verandert de frequentie van het licht
De tijdspleten in het nieuwe experiment leiden ook tot diffractie en interferentie - die zich echter op iets andere manieren manifesteren. Ook hier geldt een versie van de onzekerheid van Heisenberg: als je een temporele component van een systeem extreem vernauwt - zoals de tijdspleetjes doen - wordt de energie ervan des te onnauwkeuriger. De energie van een lichtgolf is afhankelijk van de frequentie: De "diffractie" bij de tijdspleet verandert dus de frequentie van het licht. Omdat dit een dubbele tijdspleet is, kan de lichtgolf interfereren met een tweede, wat resulteert in een ander interferentiepatroon, zij het een in het frequentiespectrum. Sommige kleuren versterken, andere heffen elkaar op.
Riccardo Sapienza, leider van het experiment en hoogleraar natuurkunde aan het Imperial College, zei volgens een verklaring van de universiteit: "Ons experiment werpt licht op de fundamentele aard van licht en dient ook als uitgangspunt voor de ontwikkeling van nieuwe materialen die licht nauwkeurig kunnen sturen in ruimte en tijd."Het meest indrukwekkende en verrassende resultaat was ook dat het interferentiepatroon meer lijnen vertoonde dan ze hadden verwacht op basis van de huidige theoretische kennis. Het gebruikte materiaal was dus veel sneller van optische eigenschappen veranderd dan eerder voor mogelijk werd gehouden - in slechts één quadriljoenste van een seconde.
Volgend wil het team het fenomeen in een tijdskristal onderzoeken. Dit is een kwantumsysteem waarin de optische eigenschappen in de tijd veranderen in plaats van ruimtelijk zoals in een conventioneel kristal.
Spectrum van de Wetenschap
Wij zijn partner van Spektrum der Wissenschaft en willen gefundeerde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.
[[small:]]
Opname omslag: Shutterstock
Deskundigen uit wetenschap en onderzoek doen verslag van de huidige bevindingen op hun gebied - deskundig, authentiek en begrijpelijk.
Van de nieuwe iPhone tot de wederopstanding van de mode uit de jaren 80. De redactie categoriseert.
Alles tonen