Elke natuurkundestudent weet dat licht in een rechte lijn reist. Maar onderzoekers hebben nu aangetoond dat licht ook in een kromme lijn kan reizen, zonder enige invloed van buitenaf. Het effect is eigenlijk een optische illusie, hoewel de onderzoekers zeggen dat het praktische toepassingen zou kunnen hebben, zoals het verplaatsen van objecten met licht van veraf.
Het is algemeen bekend dat licht buigt. Wanneer lichtstralen bijvoorbeeld van lucht in water overgaan, maken zij een scherpe bocht; daarom lijkt een stok die in een vijver wordt gedompeld naar het oppervlak te kantelen. In de ruimte zien we lichtstralen die in de buurt van zeer massieve objecten, zoals sterren, komen, zich in bochten voortbewegen. In elk geval heeft de buiging van het licht een externe oorzaak: Voor water is het een verandering in een optische eigenschap, de brekingsindex, en voor sterren is het de kromtrekkende aard van de zwaartekracht.
Dat licht uit zichzelf buigt, is echter ongehoord – bijna. Eind jaren zeventig ontdekten de natuurkundigen Michael Berry van de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk en Nandor Balazs van de State University of New York, Stony Brook, dat een zogenaamde Airy-golfvorm, een golf die beschrijft hoe kwantumdeeltjes bewegen, soms een klein beetje kan buigen. Dat werk werd grotendeels genegeerd tot 2007, toen Demetri Christodoulides en andere natuurkundigen aan de Universiteit van Centraal Florida in Orlando optische versies van Airy-golven genereerden door laserlicht te manipuleren, en ontdekten dat de resulterende bundel lichtjes kromde toen hij door een detector ging.
Hoe werkte deze zelfbuiging? Licht is een wirwar van golven, en hun pieken en dalen kunnen met elkaar interfereren. Bijvoorbeeld, een piek die een dal passeert heft elkaar op om duisternis te creëren; een piek die een andere piek passeert “interfereert constructief” om een heldere plek te creëren. Stelt u zich nu eens licht voor dat wordt uitgezonden door een brede strook – misschien een fluorescentiebuis of, beter nog, een laser waarvan de output is vergroot. Door de beginpositie van de golfpieken – de fase van de golven – bij elke stap op de strook zorgvuldig te regelen, is het mogelijk het naar buiten reizende licht alleen op punten van een kromme constructief te laten interfereren en overal elders te laten uitschakelen. De Airy-functie, die snelle maar afnemende oscillaties bevat, bleek een gemakkelijke manier om die beginfasen te bepalen – behalve dat het resulterende licht slechts tot ongeveer 8° zou buigen.
Nu zeggen natuurkundigen Mordechai Segev en collega’s van het Technion, Israel Institute of Technology, in Haifa dat zij een recept hebben om licht zelf door elke hoek te laten buigen, zelfs door een volledige cirkel. Het probleem met de Airy-functie, zegt Segev, is dat de vorm van zijn oscillaties alleen bij kleine hoeken de juiste fasen aangeeft; bij hoeken veel groter dan 8° wordt de vorm een grove benadering. Daarom wendde zijn groep zich tot de vergelijkingen van Maxwell, het 150 jaar oude kwartet wiskundige formules dat de voortplanting van elektromagnetische golven zoals licht beschrijft. Na moeizaam reken- en giswerk vonden de onderzoekers oplossingen voor de vergelijkingen van Maxwell die precies de beginfasen beschrijven die nodig zijn voor echt zelfbuigend licht, zoals ze deze week melden in Physical Review Letters.
“De Airy-functie is een oplossing voor een benaderend geval,” zegt Segev. “Als je tot grote hoeken wilt gaan, moet je de juiste vorm hebben. Men dacht dat er geen juiste vorm was, dat de oplossing altijd uit elkaar zou vallen – maar wij hebben aangetoond dat dat onjuist is.”
Het werk van Segev’s groep is misschien theoretisch gebleven, maar toevallig heeft een groep onder leiding van John Dudley aan de Universiteit van Franche-Comté in Besançon, Frankrijk, zijn eigen experimenten uitgevoerd met zelfbuigend licht. Door de bestaande Airy-functie te wijzigen, is de groep van Dudley erin geslaagd beginfasewaarden te vinden die overeenkomen met de oplossing van de Israëlische groep, ook al waren zij daarvan niet op de hoogte. Met behulp van een apparaat dat een ruimtelijke lichtmodulator wordt genoemd om de fase van een uitgebreide bundel laserlicht van tevoren aan te passen, ontdekte de Franse groep dat het resulterende licht zichzelf tot 60° boog, zoals zij later deze maand in Optics Letters zal rapporteren.
Zelfbuigend licht zou een leuke draai kunnen geven aan optische pincetten. Deze apparaten, die in de jaren 1980 werden ontwikkeld, gebruiken de kracht die door intens laserlicht wordt gecreëerd om microscopische objecten in de lucht vast te houden. Segev denkt dat onderzoekers, door de laserstralen te vervangen door zelfbuigend licht, gevangen objecten kunnen dwingen zich langs complexe paden te verplaatsen zonder ze aan te raken. Door dit te doen, zou het gebogen licht selectief cellen kunnen verwijderen van een biologisch monster – een zegen voor bio-ingenieurs.
Natuurkundige Pavel Polynkin van de Universiteit van Arizona in Tucson stelt een andere toepassing voor: -een gebogen gat door een materiaal branden, wat onmogelijk zou zijn met een gewone laser. Maar ondanks dergelijke toepassingen, wijst hij erop dat het licht zelf niet echt kromt, het lijkt er alleen op, door de manier waarop de interferentie lichtpuntjes zich oplijnen. In feite, zegt hij, gaat het meeste vermogen van het licht niet naar de heldere curve, maar naar de schemerige gebieden die zijn geannuleerd. “Ik betwist de wetenschappelijke betekenis van het artikel niet,” voegt hij eraan toe. “Het rapporteert een belangrijke bijdrage. … er zijn tot nu toe geen fundamentele natuurkundige wetten gebroken – en dat is een goede zaak, naar mijn mening.”