Licht blijkt een nooit eerder waargenomen eigenschap te hebben: de draaiing van licht kan in een fractie van een seconde veranderen. Deze eigenschap, torsie genaamd, kan helpen bij het meten en manipuleren van materialen en microscopisch kleine deeltjes.

Licht kent een aantal eigenschappen die al heel lang bekend zijn, zoals intensiteit en golflengte (kleur). Deze eigenschappen verraden zichzelf doordat ze waarneembaar zijn met het blote oog. Andere eigenschappen, zoals de draaiing van licht en de verandering van die draaiing, kunnen we niet direct waarnemen.

Dat licht een draaiing kan bevatten, werd daarom pas in 1992 vastgesteld door een groep Leidse onderzoekers. De draaiing, het zogeheten baanimpulsmoment, is een rotatie van het golffront van de lichtbundel om zijn as. Het golffront van draaiend licht kun je je voorstellen als een spiraal.

Nu hebben onderzoekers ook aangetoond dat het baanimpulsmoment van een lichtbundel in een fractie van een seconde kan versnellen.

Spiralen en fusilli

Het baanimpulsmoment kan verschillende waarden aannemen. De simpelste vorm heeft baanimpulsnummer 1. Het golffront ziet er dan uit als een helix (in de afbeelding te zien bij m = 1). Bij de baanimpulsnummer 2 ontstaat een dubbele helix. Nummer 3 heeft de vorm van fusilli-pasta. In theorie kunnen er oneindig veel baanimpulsmomenten bestaan, maar in de praktijk is het lastig om lichtbundels steeds complexere draaiingen te geven.

Een draaiende lichtbundel beweegt vooruit, maar elk punt in de bundel beweegt op een spiraal om de as heen. Die beweging kun je je het best voorstellen door te kijken naar een klein, licht deeltje dat door het baanimpulsmoment meegenomen kan worden. Als je zo’n deeltje in een bundel met draaiing zet, dan wordt het niet recht vooruit geduwd. Het draait wel vooruit, maar ook om de as met het golffront mee.

Lichtbundels met verschillende baanimpulsmomenten (2, 1, 0, -1 en -2). De spiraalvorm van het golffront, diens fase en de intensiteit van de bundel zijn weergegeven. Bron: Wikimedia commons, E-karimi

Pulsen stapelen

Om een lichtbundel te maken met een veranderend baanimpulsmoment (en dus torsie) gebruikten de onderzoekers een techniek die infraroodlicht verandert in röntgenlicht. Röntgen heeft meer energie dan infrarood. Er is dus veel infraroodlicht nodig om een klein beetje röntgenlicht te maken. ‘Met die techniek stapelden we als het ware infraroodpulsen op elkaar om een röntgenstraal te maken’, vertelt Kevin Dorney van de University of Colorado in de Verenigde Staten.

In het experiment gebruikten de onderzoekers extreem korte infraroodpulsen van een paar femtoseconden (biljardsten van een seconde). ‘Die pulsen gaven we baanimpulsmoment 1 (een helixvorm) of 2 (een dubbele helixvorm),’ vertelt Dorney. ‘Vervolgens combineerden we ze tot röntgenlicht. Het is alsof je ballen met twee verschillende kleuren uit een zak haalt en daar een combinatie van maakt. Die combinatie levert veranderingen op in het baanimpulsmoment van de resulterende lichtbundel. Zo ontstaat er torsie.’

Deeltjes die in een lichtbundel met torsie terechtkomen, worden niet meegenomen in de spiraal. Ze worden versneld en weggeslingerd. ‘De torsie is als een bocht in een racebaan’, zegt Dorney. ‘Een bocht die bovendien naar beneden helt waardoor een auto in de bocht versnelt.’ Daardoor vliegt een deeltje met een hogere snelheid de lichtbundel uit dan hij erin ging.

Toepassingen als vergezicht

‘Het is mooi onderzoek en ik heb respect voor de manier waarop ze het experiment hebben uitgevoerd’, zegt natuurkundige Stefan Witte. Hij werkt aan de Vrije Universiteit in Amsterdam en was niet betrokken bij het onderzoek. ‘Die torsiekracht van licht is interessant als je wilt kijken naar bepaalde aspecten van de wisselwerking tussen licht en materie.’

Witte noemt moleculen met chiraliteit als voorbeeld. Deze moleculen hebben zijn asymmetrisch wanneer je ze spiegelt. ‘Een chiraal molecuul zou anders kunnen reageren op een torsiekracht die linksom werkt dan op een torsie rechtsom. Zo kun je die symmetrie bestuderen met licht met torsie.’

Ook zou je deeltjes zoals elektronen gecontroleerd door een materiaal kunnen laten bewegen met behulp van baanimpulsmoment en torsie. ‘Maar dat soort toepassingen zijn echt een vergezicht’, zegt Witte. ‘Daarvoor zijn dit soort lichtbundels echt niet sterk genoeg. En het opschalen is een uitdaging.’

Dorney ziet dat voorlopig ook niet gebeuren. Wel denkt hij dat het mogelijk is om de lichtbundel iets krachtiger te maken door hem te focussen. Daarnaast wil hij uit nieuwsgierigheid aan de knoppen gaan draaien, om te kijken wat er gebeurt met de torsie. Ze zijn bijvoorbeeld bezig om andere soorten baanimpulsmomenten te combineren. Concrete toepassingen daarvoor zijn nog niet in zicht. Dorney: ‘Het is vooral leuk om te zien wat er gebeurt.’

Twee infraroodlichtpulsen met verschillende baanimpulsmomenten combineren tot een röntgenbundel met een veranderend baanimpulsmoment. Bron: Kevin Dorney, Kapteyn-Murnane group, JILA – University of Colorado Boulder