Wetenschappers nemen monstergolven van licht waar

Wetenschappers van het Amolf hebben monstergolven van licht waargenomen. Monstergolven zijn golven die schijnbaar uit het niets opkomen en daarna snel weer verdwijnen. Wellicht bieden ze toepassingen voor snellere optische chips, efficiëntere zonnecellen en sensors.

Monstergolven zijn bekend uit de scheepvaart en leiden daar door hun plotselinge verschijning soms tot zware averij. Nu blijken lichtgolven dit gedrag ook te vertonen en laten de onderzoekers van het FOM-instituut Amolf zien dat ze de waarschijnlijkheid dat een dergelijke lichtgolf ontstaat, kunnen beïnvloeden. Dat maakt het mogelijk om de grote lichtintensiteit van de monstergolf te benutten.

Het bestaan van de enorme monstergolven op zee werd lang afgedaan als een zeemansmythe, maar waarnemingen met satellieten van de ESA bewezen in 2004 dat deze enorme golven zelfs wijdverbreid voorkomen. De golven kunnen tot 30 meter hoog worden, vergelijkbaar met een flatgebouw van tien verdiepingen.

Om te testen of lichtgolven dit gedrag ook vertonen, bouwde het onderzoeksteam optische chips met kleine trilholtes waarin zij licht opsloten. De onderzoekers kozen voor 'chaotische trilholtes', waarin het licht ongestructureerd tegen de wanden botst, doordat ze niet perfect rond zijn. Daarnaast is het licht in een chaotische trilholte gevoelig voor kleine veranderingen van bijvoorbeeld invalshoek of lichtkleur. Zo creëren de lichtgolven schijnbaar willekeurige interferentiepatronen en ontstaat een 'kakofonie' van licht in de trilholte.

Chaotische trilholte met in- en uitgaande lichtkanalen

De korte lichtflitsen werden door de onderzoekers via één kanaal de trilholte ingestuurd. Aan de andere kant van de trilholte kon het licht ontsnappen via twee of meer ontsnappingskanalen. Het experiment werd zowel met computersimulaties als fysiek uitgevoerd. Zo konden de fysici zien dat er af en toe op willekeurige posities grote pieken in lichtintensiteit ontstonden.

Lang bestonden de golven niet, minder dan 200 femtoseconden of 200 biljardste seconden. De pieken waren ook heel lokaal, ongeveer 200 nanometer of 2,0 × 10^-7 meter. Om de golven te kunnen weergeven, gebruikten de onderzoekers een in-house ontwikkelde near-field scanning optical microscope. De trilholtes werden gemaakt uit een substraat van 220nm dik silicium op een stuk glas van 2 micrometer dik.

De onderzoekers konden de golven temmen door bijvoorbeeld de ontsnappingskanalen te verbreden. Zo konden de golven ontsnappen mits ze onder de juiste hoek het kanaal wisten te raken. Doordat deze 'lichtstralen' konden ontsnappen uit de kakofonie, nam die af. Hierdoor groeide de kans dat het licht met zichzelf in de pas ging lopen en er zo een monstergolf ontstond.

Groepsleider Kobus Kuipers vertelt dat het onderzoek nog een proof of concept betreft. De hoop bestaat binnen een paar jaar duidelijkheid te hebben over de bruikbaarheid van het monstergolfprincipe. De technologie zou haar weg kunnen vinden naar toepassing voor snellere telecommunicatie, juist omdat monstergolven aangetroffen worden bij een grote bandbreedte van kleuren die ook gebruikt worden bij optische communicatie. "Maar", zegt Kuipers, "wil het nuttig zijn, dan wil je dat de ruimtelijke grootte van de golf geoptimaliseerd wordt. Op dit moment is de monstergolf nog te lokaal; het is nu maar een promille van het hele oppervlak van de trilholte en er klotst dus heel wat onbruikbaar licht rond. Voor zonne-energie is al wel laten zien dat de wanordelijkheid van licht te gebruiken is in de trilholte, maar dit heeft niets met monstergolven te maken."

Een beschrijving van het hele experiment staat deze week in het tijdschrift Nature Physics.

Reacties (28)

[pegagus]

Net zoals de golven op zee, de monstergolf ontstaat als de toppen van meerdere golven op één plek, op het zelfde moment bij elkaar komen. De golven stapelen zich op elkaar.

[DirtyBird]

Dat is toch niet nieuw? Ik leerde volgens mij op de middelbare school al bij natuurkunde dat golven elkaar op deze manier versterken of uitdoven. Ik vraag me dan ook af of wat je hier zegt daadwerkelijk te maken heeft met dit onderzoek en de monstergolven op zee.

[Anoniem: 147126]

Volgens mij is het inderdaad gewoon interferentie (golven kunnen elkaar uitdoven of versterken), maar dit onderzoek gaat er (volgens mij) om dat er een kleine kans bestaat dat golven (of het nou licht of op zee is) meermaals interfereren (dus dat versterkte golven zichzelf versterken), en dan kunnen er 'monstergolven' ontstaan.

[koelpasta]

maar dit onderzoek gaat er (volgens mij) om dat er een kleine kans bestaat dat golven (of het nou licht of op zee is) meermaals interfereren (dus dat versterkte golven zichzelf versterken), en dan kunnen er 'monstergolven' ontstaan.

Volgens mij niet. Het idee, zoals ik het begrijp, is dat er een breed spectrum aan golven ergens at random tot een grote piek interfereren.
Golven die zichzelf versterken suggereren een enkele frequentie en een non-chaotische resonantieruimte. Van beide lijkt geen sprake te zijn in dit experiment.

[Anoniem: 147126]

Dat zou inderdaad nog logischer zijn. Net zoals een interferogram van een breed spectrum ook een intensiteitspiek in het midden geeft. (de Fourier getransformeerde van een blokgolf (breed spectrum) geeft een Sinc functie). Op een bepaalde plaats kunnen ze elkaar dus inderdaad allemaal versterken.

[koelpasta]

Ja, maar dan doel je dus op een regelmatig gestructureerde trilruimte (blok). Dit gaat om een trilruimte die zorgt voor een verspreiding van de golven waardoor de plek van de interferentie chaotich is. Je krijgt dus geen mooie staande golven maar zullen er op willekeurige plaatsen in de trilruimte pieken ontstaan. Je krijgt dus geen mooie sinc maar een comlexe response.

Althans, nog steeds 'voor zover ik het begrijp'

[Coffeemonster]

Inderdaad, ik maak ook uit het artikel op dat het gaat om een chaotische omgeving, waarin min of meer 'willekeurige' golven elkaar kunnen versterken tot monstergolven, die maar af en toe en voor zeer korte tijd bestaan. Dit is vergelijkbaar met de monstergolven op zee, wat ook een chaotische omgeving is, en waar plotseling ook monstergolven kunnen optreden.

De tweede boodschap die ik lees is dat door de ontsnappingskanalen (zeg maar de uitgang voor de golven) aan te passen, de waarschijnlijkheid van het voorkomen van die monstergolven beïnvloed kan worden. Als dat een gewenst effect is voor bijvoorbeeld PV-cellen, sensoren en micro-optica, omdat je bijvoorbeeld een sterker signaal kan krijgen, dan is dit een mooie stap vooruit. Bedenk je verder dat dit fundamenteel onderzoek is, waarbij de toepassing in de praktijk nog een stuk verderop ligt.

[koelpasta]

De tweede boodschap die ik lees is dat door de ontsnappingskanalen (zeg maar de uitgang voor de golven) aan te passen, de waarschijnlijkheid van het voorkomen van die monstergolven beïnvloed kan worden.

Zoals ik het lees doen ze dat door de ruiserige ondergrond weg te halen e daarmee de signaal-ruisverhouding te vergroten. Er wordt dus energie uit het systeem gehaald waardoor de interferentiepatronen duidelijker herkenbaar worden.

Als dat een gewenst effect is voor bijvoorbeeld PV-cellen, sensoren en micro-optica, omdat je bijvoorbeeld een sterker signaal kan krijgen, dan is dit een mooie stap vooruit.

Ik denk dus dat het voor PV zooi weinig gaat bijdragen. Er is immers minder energie beschikbaar om om te zetten. Voor signalen is er denk ik wel een vrij directe toepassing omdat je zo'n systeem dan als een breedbandige versterker kunt gebruiken.
Maar uiteindelijk geef je hier tijd op voor signaalsterkte. De hoeveelheid en kwaliteit van de interferentie schaalt met de lengte van de puls. Geen idee overigens hoe dat in de praktijk uitpakt dus mischien is er wel een hoop te winnen.

[koelpasta]

Daarom snap ik dit verhaal ook niet. Hoe kun je die lokale coherentie ergens anders heen verplaatsen? Het is toch een direct effect van de ruimte waarin die golven resoneren? Ik zou verwachten dat als je zo'n golf uit context haalt dat het interferentiepatroon heel anders zal zijn en dus onbruikbaar als 'monstergolf'.

[MAX3400]

https://www.youtube.com/watch?v=mlaVHxUSiNk -> versimpeld filmpje hoe eea in elkaar steekt.

[koelpasta]

Volgens mij heeft dit filmpje helemaal niks te maken met dit experiment..

[dwarfangel]

Deze wel iets meer: https://www.youtube.com/watch?v=qRV1em--gaM
denk ik

Interessant hier om te zien is, dat ondanks dat het 1 puls is, het licht niet gelijkmatig wordt verdeeld. Sommige delen lichten meer op, waar het licht 'samen' lijkt te komen. Wat ik begrijp uit bovenstaande stuk, dat zij nu dus een stap hebben gezet om dit effect te sturen, zodat we dit kunstmatig kunnen toepassen.

[MAX3400]

Dat lijkt me vrij sterk; zeker als je kijkt naar het "onderschrift" bij het filmpje:

Published on Mar 2, 2015

Light is a wave and a particle, but no-one's managed to see both at the same time.... until now!

The first ever snapshot of light as both wave and particle is taken by Fabrizio Carbone’s lab at EPFL (LUMES). The work is published in Nature Communications on 02 March 2015.

Full story: http://bit.ly/1AOhuTm

[koelpasta]

Dat lijkt me vrij sterk; zeker als je kijkt naar het "onderschrift" bij het filmpje:

Ja, en?
Wat heeft dat onderzoek van LUMES te maken met het onderzoek van het FOM instituut?
Het ene gaat over golf-deeltjes dualiteit en het andere gaat over specifieke interferentiepatronen in chaotische trilruimtes.
De link die je stuurt heeft betrekking op een artiekel van vorige week, niet op dit artiekel.

[nicxz]

Het filmpje waar je naar linkt refereert naar publicatie 'Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field' Nature Communications 02 March 2015. DOI: 10.1038/ncomms7407

Het nieuwsbericht refereert naar 'Triggering extreme events at the nanoscale in photonic seas' Nature Physics, published online 9 march 2015 (2015) DOI:10.1038/nphys3263

Dat is vast te stellen door naar de inhoud te kijken, of door naar de bronvermelding / auteurs te kijken.

[drakiesoft]

Voor zonne-energie is al wel laten zien dat de wanordelijkheid van licht te gebruiken is in de trilholte, maar dit heeft niets met monstergolven te maken."

Wat wordt hiermee bedoeld?

[Anoniem: 120539]

Je kunt licht sturen door het door lenzen heen te sturen of tegen spiegels te laten botsen, maar je kunt ook gebruik maken van mechanische structuren om licht te manipuleren. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om licht langer 'vast te houden' in een zonnepaneel/cel door te voorkomen dat het licht (of een deel van) weer ontsnapt voordat het is omgezet in een andere vorm van energie. (light trapping)

[MAX3400]

Dat de waarneming van licht helemaal niets te maken heeft met de golven in de zee.

[koelpasta]

Dat de waarneming van licht helemaal niets te maken heeft met de golven in de zee.

Huh?., Nee, er wordt bedoelt dat zonnepanelen geen specifiek gebruik maken van monstergolven (die dus wel degelijk zijn aangetoond in zowel licht als water).

[StWesleyT]

Ik heb een vriend die natuurkunde heeft gestudeerd naar dit artikel naar laten kijken, omdat ik er niks van snap. En hij snapt er zelf ook niks van. Terwijl hij ook nog eens in de technische optica zit. Wat een chaos is dit artikel. +0 (wel interessant onderwerp, ik ga zelf maar op onderzoek uit)

[Reactie gewijzigd door StWesleyT op 23 juli 2024 18:00]

[DigitalExorcist]

Ik heb een vriend die natuurkunde heeft gestudeerd naar dit artikel naar laten kijken, omdat ik er niks van snap. En hij snapt er zelf ook niks van. Terwijl hij ook nog eens in de technische optica zit. Wat een chaos is dit artikel. +0 (wel interessant onderwerp, ik ga zelf maar op onderzoek uit)

Zo zie je maar, dat rendementsdenken in het onderwijs is zo gek nog niet.

[Anoniem: 282855]

Dit is echt heel baanbrekend onderzoek. Als het onderzoek klopt gaat dit uiteindelijk nieuwe uitvindingen brengen waarvan we dachten dat niet niet mogelijk was.

[beerse]

Toen het over tril-holtes ging, begon bij mij een lampje te branden. Bij laser-licht wordt een mooi gevormde tril-holte gebruikt. Hier komen de golven in continuë interferentie.

Bij een chaos trilholte treedt geen continuë interferentie op, maar een chaos interferentie. Nu is het zaak om orde te brengen in de chaos en wel zodanig dat de extreme interferentie toch geregeld plaats vind.

Vergelijk het met een rijtje schommels in de speeltuin. Als ze allemaal even lang zijn, dan kan je ze allemaal tegelijk laten schommelen. Maar als ze ongelijk zijn, dan zijn ze op ongelijke tijden op het hoogste punt. Maar zo af en toe zal je zien dat er een aantal tegelijk op het hoogste punt zijn. Met veel rekenwerk, de juiste start-tijden en de juiste duwtjes moet je het voor elkaar kunnen krijgen om ze 1 keer tegelijk op het hoogste punt te krijgen (tip: door terug te rekenen vanaf het gewenste hootste punt). Dit is dan in 1 dimentie wat ze bij licht in 3 dimensies doen.

[nexhil]

Ik heb het niet zo vaak, maar ik moet me denk ik eens in de term 'monstergolven' gaan verdiepen.
Ik snap niet echt veel van dit artikel

De ene keer gaat over golven op zee (zeelui mythe), de andere keer over licht..

[Reactie gewijzigd door nexhil op 23 juli 2024 18:00]

[jozuf]

De ene keer gaat het over het onderzoek en de andere keer met een fenomeen dat er op lijkt.
Het gedrag van golven, het word vergeleken met golven op zee, aangezien ze zich hetzelfde lijken te gedragen.

[nexhil]

Ik las het meer als:
Dat deze zeelui ook deze golven van licht waarnamen maar dat vooralsnog aangenomen werd dat het om mythe's ging

[jozuf]

Ja dat begrijp ik, artikel is wat raar opgesteld. Maar wat er bedoeld word is dat zeelui monstergolven van water waarnamen en dat dit vroeger als mythe werd gezien.

[detheavn]

De golven kunnen tot 30 meter hoog worden, vergelijkbaar met een flatgebouw van tien verdiepingen.

Iets klopt niet in deze berekening
edit: lol, nee, ik moet leren lezen

[Reactie gewijzigd door detheavn op 23 juli 2024 18:00]