Credit: Fabrizio Carbone/EPFL
Het licht gedraagt zich zowel als een golf als een deeltje. Wetenschappers hebben al een eeuw geprobeerd om beide aspecten van het licht tegelijkertijd waar te nemen. Nu is dat voor het eerst ook echt gelukt door wetenschappers van het Zwitserse onderzoeksinstituut EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne).Kwantummechanica vertelt ons dat het licht zich tegelijkertijd kan gedragen als een golf en als een deeltje. Helaas is nog nooit een experiment in staat geweest om beide aspecten van het licht op hetzelfde moment te zien. We hebben het licht wél als deeltjes waargenomen én als golven, maar nog nooit op hetzelfde moment. Wetenschappers van het EPFL hebben echter een enorme doorbraak bereikt, door gebruik te maken van een compleet ander benadering dan bij voorgaande experimenten.Als UV-straling een metalen oppervlak raakt, zal het metaal elektronen gaan uitzenden. Albert Einstein heeft dit foto-elektrische effect verklaart door te stellen dat licht – dat destijds geacht werd een golf te zijn – eveneens een stroom van deeltjes zou moeten zijn. Nu hebben wetenschappers van EPFL een slimme zet gedaan door gebruik te maken van elektronen om licht te fotograferen. De resulterende opname laat zowel de golf-aard als de deeltjes-aard van licht tegelijkertijd zien!
Het experiment is als volgt opgezet: een laserpuls wordt afgevuurd op een superkleine metalen nanodraadje. De laser voegt energie toe aan de geladen deeltjes in de draad, die hierdoor gaan trillen. Het licht kan in twee richtingen langs het draadje bewegen, ongeveer zoals een auto op de snelweg. Als lichtgolven die in tegengestelde richting bewegen elkaar ontmoeten, ontstaat een nieuwe golf op z’n plaats lijkt te blijven staan. Op dat moment zal de staande golf een lichtbron vormen voor het experiment, waarbij het licht rondom de nanodraad zal stralen. Okee, dan komt nu de truc van het experiment. De wetenschappers schieten een elektronenstraal op de nanodraad en gebruiken de elektronen om een afbeelding te maken van de staande golf. Zodra de elektronen met het gevangen licht op de nanodraad interacteren, zullen ze versnellen of afremmen. Door gebruik te maken van een ultrasnelle microscoop om de positie van de snelheidswisseling te fotograferen, hebben de wetenschappers een visualisatie kunnen maken van de staande golf. Op die manier heeft men een “vingerafdruk” verkregen van de golf-aard van licht. Hoewel dit fenomeen de golfachtige aard van licht laat zien, laat het tegelijkertijd ook de deeltjesachtige aard van het licht zien! Dat zit namelijk zo: als elektronen vlak langs de staande golf bewegen komen ze in botsing met lichtdeeltjes (fotonen). Zoals gezegd, wordt hierbij de snelheid van de elektronen beïnvloed. Bij deze snelheidsverandering worden energiepakketjes (kwanta) uitgewisseld tussen elektronen en fotonen. Het feit dat energiepakketjes worden uitgewisseld is bewijs dat het licht op de nanodraad zich gedraagt als een deeltje.Dit experiment heeft direct aangetoond dat het mogelijk is om de paradoxale aard van kwantummechanica op beeld vast te leggen. Het feit dat we kwantumfenomenen zowel kunnen waarnemen als controleren kan belangrijke consequenties hebben voor de ontwikkeling van kwantumcomputers 😀 Bron: EPFL.
