Een goeie eeuw geleden gaf de briljante wetenschapper Albert Einstein toelichting over het foto-elektrisch effect – verscheidene metalen zouden elektronen uitstoten wanneer er licht wordt op geschenen – suggererende dat een lichtstraal niet simpelweg een golf is van elektromagnetische radiatie maar ook bestaat uit deeltjes die een zekere kwanta – of pakketjes van energie – bezitten, fotonen genaamd.
Tot op heden was het de wetenschap niet gelukt om zowel het karakter van de golf als het deeltje te meten, ofwel werd het deeltje verraden ofwel de golf, maar nooit samen.
Maar het wonder geschiedt want onderzoekers van de Technische Universiteit van Lausanne (EPFL) in Zwitserland claimen nu, voor de allereerste keer ooit, een beeld van dit fenomeen te hebben vastgelegd.
Het woord ‘foto’ ontstond van ‘photon’, terwijl men ‘photograph’ kan opdelen in twee delen: ‘photon’ en ‘graph’, waar ‘graph’ staat voor ‘schrijven’.
Of zeer letterlijk vertaald: schrijven met licht.
Wetenschappers schreven met licht om licht te fotograferen – geassisteerd door grafeen – om het allereerste beeld van licht als deeltje en tegelijkertijd als golf te bekomen.
Maar hoe deden ze dat? In wezen vuurde het team extreem korte – femtoseconde – pulsen van laserlicht af gericht op een minuscuul nanodraadje gemaakt van zilver en hangend aan grafeen film die fungeerde als een elektrische isolator.
De laser voegt energie toe aan de geladen deeltjes in de draad, die hierdoor gaan trillen.
Wanneer golven die in tegengestelde richtingen reizen elkaar ontmoeten vormen ze een nieuwe golf die eruit ziet alsof hij ter vervanging staat. Op dat moment zal de staande golf een lichtbron vormen voor het experiment, waarbij het licht rondom de nanodraad zal stralen.
De wetenschappers lanceren een straal van elektronen op de nanodraad en gebruiken die elektronen om een foto te maken van de staande golf. Zodra de elektronen interactie hebben met het opgesloten licht op de nanodraad versnellen ze of remmen ze af.
Door gebruik te maken van een ultrasnelle microscoop – om de positie waar de verandering van snelheid plaatsvond te fotograferen – hebben de wetenschappers, onder leiding van Fabrizio Carbone, een visualisatie kunnen maken van de staande golf, fungerend als vingerafdruk van het karakter als golf van licht.
Hoewel dit fenomeen het golf karakter van licht laat zien, laat het gelijktijdig het deeltjes karakter van licht zien.
Als elektronen vlak langs de staande golf bewegen komen ze in botsing met lichtdeeltjes, de fotonen, en hierbij wordt de snelheid van de elektronen beïnvloed.
Bij deze veranderingen van snelheid worden kwanta uitgewisseld tussen elektronen en fotonen.
Het specifieke feit dat ze energiepakketjes uitwisselen is bewijs dat het licht op de nanodraad zich gedraagt als een deeltje.
Bron: actu.epfl.ch, Nature.com
foto: Abrizio Carbone/EPFL