Een gyroïde oppervlak

In 1929 voorzag de Duitse natuurkundige Hermann Weyl het bestaan van massaloze ‘deeltjes’, inmiddels Weyl-punten genoemd. Voor het eerst zou nu het bestaan van die ‘deeltjes’ zijn bewezen. De ontdekking zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van hoogvermogenlasers die slechts een frekwentie produceren en andere optische systemen, stellen de onderzoekers van het MIT in Cambridge (VS) en van de Zhejiang-universiteit in Hangzhou (China). Overigens blijkt ook een andere groep natuurkundigen van, onder meer, de Princeton-universiteit, het bestaan van het lang gezochte ‘deeltje’ te hebben aangetoond.

Tientallen jaren lang dachten natuurkundigen dat de gezochte, massaloze deeltjes neutrino’s waren. Die mogelijkheid werd in 1998 naar de prullenmand verwezen, toen bleek dat neutrino’s toch een massa hebben. Er zijn duizenden artikelen over het gepostuleerde deeltje geschreven, maar er bestond weinig hoop dat ooit te ontdekken. “Tot nu was elke artikel over Weyl-punten theoretisch”, zegt  Marin Soljačić van het MIT. Volgens medeonderzoeker Ling Lu zijn de deeltjes te beschouwen als magnetische monopolen. Die bestaan niet in de echte wereld: dat zou zijn alsof je van een magneet de noord- van de zuidpool zou kunnen scheiden. Voor natuurkundigen is zo’n monopool geen probleem. Die voeren hun berekeningen liever uit in een impulsruimte in plaats van onze ruimtelijke wereld. Daarin is zo’n monopool bestaanbaar en hun eigenschappen komen overeen met die door Weyl voorspelde ‘deeltjes’. Op mij komt dat over als een rekentruc, maar gelukkig ben ik ook een leek op bijna elk gebied.
Het aantonen van de Weyl-punten was mogelijk met behulp van zogeheten fotonische kristallen. Lu berekende de benodigde eigenschappen van de fotonische kristallen om de ‘deeltjes’ te kunnen waarnemen. Twee jaar geleden werd voorspeld als je de symmetrie in bepaalde wiskundige oppervlakken – de zogeheten gyroïde structuur, die in de natuur onder meer op vlindervleugels voorkomt – zou verbreken, het mogelijk zou zijn Weyl-punten te vormen.

Er zijn  toepassingen voor de Weyl-punten, denkt Soljačić. Fotonische kristallen die op het ontwerp van de onderzoekers zijn gebaseerd, zouden kunnen worden gebruikt voor lasers. “Als je lasers groter maakt is het steeds moeilijker om precies die ene modus ( frekwentie) te produceren. Dat is een ernstige beperking van de kwaliteit van de laserbundel.” Met die speicifieke fotonische kristallen zou daar een mouw aan te passen zijn. Volgens Lu is de opschaalbaarheid, of het onvermogen daartoe, een vrij fundamenteel probleem. “We hebben ook andere toepassingen in gedachten.” Zo zou een blok materiaal alleen licht doorlaten onder een speciale hoek en met een bepaalde frekwentie. Dat lijkt me inderdaad een interessante toepassing, al zie ik niet zo gauw iets voor ogen. Gebrek aan vindingrijkheid, waarschijnlijk.

Bron: Science Daily