Licht stroomt soms als een supervloeistof

supervloeibaar helium

Supervloeibaar helium (afb: WIki Commons)

Licht bestaat uit deeltjes, nee licht is een golf of misschien wel een supervloeistof en dat laatste zelfs bij kamertemperatuur. Dat licht zich soms gedraagt als een supervloeistof was al langer bekend en ook in de praktijk aangetoond, maar alleen bij zeer lage temperaturen. Nu blijkt dat licht zich ook bij kamertemperatuur als supervloeistof kan gedragen,  Een supervloeistof heeft geen viscositeit.

Licht werd door geleerden als Huygens en Kelvin, maar ook nog door Maxwell als golf gezien die zich voortspoedt in een bijzonder materiaal: ether. Op een gegeven moment leken wetenschappers er toe geneigd licht te zien als een vloeistof waarin wervelingen stabiele kernen vormden een beetje zoals in atomen. Die gedachten werden weggevaagd door de relativteitstheorie. Er was niet zoiets als ether, verklaarde Einstein. Het ging om elektromagnetische velden. Dat was de fundamentele eenheid en het werd steeds aannemelijker om licht als deeltjes te beschouwen, als een concentratie van energie in dat veld.
Al sedert de jaren 90 is het idee in opkomst van van licht als kwantumvloeistof, met als laatste verschijningsvorm de supervloeistof. Die theorie is stukje bij beetje praktijk geworden door, onder meer, onderzoekers van het Franse Kastler Brossel-laboratorium en onderzoekers van het Italiaanse CNR Nanotec in Lecce en de polytechnische school van Montréal (Canada), de auteurs van het artikel over supervloeibaar licht bij kamertemperatuur.

Supervloeibaar licht

Het idee van een supervloeistof is afkomstig van Albert Einstein en de Indiase natuurkundige  Satyendra Nath Bose uit de jaren 20, dat is uitgemond in de voorspelling van de Bose-Einsteincondensatie. Dat idee werd eerst en vooral gebruikt ter verklaring van het vreemde gedrag van helium in de buurt van het absolute nulpunt of voor het gedrag van supergeleiders.
Zoals gezegd heeft een supervloeistof een viscositeit die gelijk is aan nul. Dat betekent dat die vloeistof stroomt zonder enige weerstand te ontmoeten. Daarom zou die vloeistof uit bosonen moeten bestaan, vernoemd naar Bose. In het geval van supergeleiding gedragen de paren elektronen, de zogeheten Cooper-paren, zich als bosonen, waardoor ze vloeien als een supervloeistof (is het idee). Elektronen zelf zijn fermionen.

Fotonen zijn ook bosonen en licht kan superfluïde eigenschappen krijgen. Dat was tot nu toe, of althans een groot deel van de 20ste eeuw niet waargenomen. Hoe is dat mogelijk geweest? Dat zou komen doordat deeltjes in een vloeistof wisselwerken en met elkaar in botsing kunnen komen. In het algemeen gedragen lichtdeeltjes zich niet als moleculen in de atmosfeer. Dat is wel mogelijk maar alleen bij zeer hoge energieniveaus.
Door de ontwikkelingen op het gebied van non-lineaire optica heeft men kunnen aantonen dat de wisselwerking tussen licht en materie bij sommige materialen fotonen zich gaan gedragen als deeltjes die in staat zijn tot wisselwerking. De experimenten hebben laten zien dat in bepaalde situaties licht zich gedraagt als een vloeistof. Dan zie je ook wervelingen en kolkingen als in een rivier die een dam ‘tegenkomt’.
Stéphane Kéna-Cohen van de polytechnische school en Daniele Sanvitto, van CNR Nanotec hebben aangetoond dat het mogelijk is licht te dwingen een supervloeistof te worden, waarbij ze er in geslaagd zijn de turbulentie te onderdrukken die in de gewone ‘lichtvloeistof’ontstaat. Het opmerkelijke van hun prestatie is dat ze dat bij kamertemperatuur voor elkaar hebben gekregen.

Hulp

Om hun supervloeiende licht te maken zijn hebben de onderzoekers, samen met collega’s uit Finland en Engeland een beroep gedaan op zogeheten polaritonen. Dat zijn in de kwantummechanica quasideeltjes en geen elementaire deeltjes zoals fotonen of elektronen, maar ze gedragen zich wel volgens kwantummechanische regels. Een voorbeeld van een polariton is een fonon.
Polaritonen zouden een soort mengeling zijn van materie en licht. Ze kunnen zich vormen in een door twee spiegels begrensde ruimte.  In het experiment werden de polaritonen verkregen in een zeer dunne laag organische moleculen tussen twee sterk reflecterende spiegels. Die dwingen licht zich als een kwantumsupervloeistof te gedragen, met wervelingen rond een obstakel zoals een klassieke golf. Het duizelt me een beetje, maar de onderzoekers verwachten dat er nog wel wat meer moois op komst zal (kan) zijn. We wachten het allemaal in spanning af.

Bron: Futura-Sciences

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *