Optisch Kerr-effect: als licht zelf de weg voor licht verandert
Stel je een weg voor die van vorm verandert zodra er een auto hard genoeg overheen rijdt. Onmogelijk in het dagelijks leven, maar met licht in bepaalde materialen gebeurt iets vergelijkbaars. Normaal buigt licht in een vaste hoek af wanneer het van lucht naar glas of water gaat, bepaald door een vaste materiaaleigenschap die we de brekingsindex noemen (een getal dat aangeeft hoeveel een medium licht vertraagt en dus afbuigt). Bij het optisch Kerr-effect verandert die brekingsindex tijdelijk onder invloed van het licht zelf, mits de lichtbundel intens genoeg is. Het licht beïnvloedt dus de manier waarop het materiaal licht behandelt, inclusief zijn eigen pad.
Dat klinkt exotisch, maar het effect zit al decennia verstopt in apparatuur die we dagelijks gebruiken of waar volop onderzoek naar wordt gedaan. Het maakt bijvoorbeeld de ultrakorte laserflitsen mogelijk die in ziekenhuizen en laboratoria worden gebruikt, het hield jarenlang lichtsignalen in glasvezelkabels in vorm over duizenden kilometers, en recent onderzoek gebruikt het om piepkleine chips te bouwen die tientallen kleuren laserlicht tegelijk en met machinepresisie produceren. Diezelfde fysica duikt nu ook op in experimentele quantumcomputers.
Wat is het precies?
In de meeste optica is de brekingsindex van een materiaal een vast gegeven: glas breekt licht altijd op dezelfde manier, ongeacht hoe fel de lamp is die je erop schijnt. Dit heet lineaire optica. Maar bij zeer hoge lichtintensiteiten, zoals in een laserbundel die door een lens wordt samengeperst, gaan sommige materialen zich anders gedragen: hun brekingsindex gaat een klein beetje meebewegen met de sterkte van het licht. Natuurkundigen schrijven dit als n = n0 + n2·I, waarbij n0 de gewone brekingsindex is, I de lichtintensiteit, en n2 een materiaalconstante die aangeeft hoe gevoelig het materiaal is voor dit effect. Dit is een vorm van nonlineaire optica: het gevolg (verandering in brekingsindex) is niet simpelweg evenredig met de gewone lineaire respons, maar hangt af van het kwadraat van het elektrische veld van het licht.
Het verschijnsel is genoemd naar de Schotse natuurkundige John Kerr, die in 1875 ontdekte dat een elektrisch veld de brekingsindex van sommige vloeistoffen kan veranderen (het elektro-optisch Kerr-effect). Het optische Kerr-effect is de latere, verwante ontdekking dat licht zelf, via zijn eigen elektrische veld, datzelfde soort verandering kan veroorzaken, zonder dat er een externe elektrische spanning aan te pas komt.
Dit heeft twee opvallende gevolgen. Ten eerste kan een lichtpuls zijn eigen frequentie-inhoud verbreden, een proces dat zelffasemodulatie heet: het voorste en achterste deel van de puls ervaren een net iets andere brekingsindex dan het midden, waardoor de puls in de tijd als het ware zijn eigen kleurenpalet uitsmeert. Ten tweede kan een intense bundel zichzelf gaan bundelen in plaats van uitwaaieren, doordat het midden van de bundel (waar de intensiteit het hoogst is) een hogere brekingsindex krijgt en dus als een lens gaat werken. Dit heet zelffocussering of een Kerr-lens.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers en ingenieurs proberen het Kerr-effect op verschillende manieren te benutten. Een eerste doel is het maken van extreem korte laserpulsen, in de orde van femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde). Door slim gebruik te maken van de Kerr-lens in een lasercaviteit kan een laser gedwongen worden om al zijn licht in korte, krachtige pulsen te concentreren in plaats van continu te stralen, een techniek die Kerr-lensmodekoppeling heet.
Een tweede doel is het beheersen van signalen in glasvezelcommunicatie. In een gewone vezel verspreidt een lichtpuls zich geleidelijk uit door dispersie (verschillende golflengtes reizen met net iets andere snelheid). Het Kerr-effect kan die verspreiding precies compenseren, waardoor een puls zijn vorm behoudt over lange afstanden: zo'n stabiele puls heet een optische soliton.
Een derde en actueler doel is het genereren van zogeheten frequentiekammen: laserlicht dat bestaat uit honderden of duizenden precies gelijk verdeelde kleuren tegelijk, bruikbaar als extreem nauwkeurige liniaal voor licht. Door continu laserlicht rond te laten lopen in een piepklein ringvormig kanaal (een microresonator) kan het Kerr-effect vanzelf zo'n kam van kleuren opwekken. Dit belooft compacte, chipgebaseerde bouwstenen voor optische klokken, telecommunicatie en afstandsmeting.
Ten slotte onderzoeken natuurkundigen of het Kerr-effect kan helpen bij quantumcomputing, met name om foutbestendige quantumbits (qubits) te bouwen die van nature minder gevoelig zijn voor bepaalde soorten fouten.
Voorbeelden uit de praktijk
- Kerr-lensmodekoppeling in titanium-saffierlasers: sinds het begin van de jaren negentig gebruikt als standaardtechniek om femtosecondepulsen te maken. Dit type laser vormde het gereedschap achter een groot deel van het onderzoek naar attoseconde-lichtflitsen, waarvoor Pierre Agostini, Ferenc Krausz en Anne L'Huillier in 2023 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen.
- Optische frequentiekammen: het werk van John Hall en Theodor Hänsch aan precisiemeting met frequentiekammen leverde hen in 2005 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op; latere generaties van deze kammen maken vaak gebruik van het Kerr-effect in microresonatoren in plaats van in vezellasers.
- Chipgebaseerde Kerr-frequentiekammen: de groep van Tobias Kippenberg aan de EPFL in Zwitserland behoort tot de pioniers die rond het midden van de jaren 2010 aantoonden dat stabiele, soliton-achtige frequentiekammen op een millimetergrote chip kunnen worden opgewekt met het Kerr-effect, met potentiële toepassingen in optische afstandsmeting en telecommunicatie. Vergelijkbaar werk wordt gedaan door de groep van Kerry Vahala aan Caltech.
- Optische solitontransmissie: Bell Labs-onderzoeker Linn Mollenauer en collega's demonstreerden eind jaren tachtig dat door het Kerr-effect gestabiliseerde solitonpulsen duizenden kilometers door glasvezel konden reizen zonder te vervormen, een belangrijke stap in het denken over langeafstandsglasvezelcommunicatie.
- Kerr-cat qubits voor quantumcomputers: het Franse bedrijf Alice & Bob en het Amazon Web Services Center for Quantum Computing onderzoeken qubits die gebaseerd zijn op het Kerr-effect in supergeleidende schakelingen (de zogeheten Kerr-cat qubit), waarbij de nonlineariteit ervoor zorgt dat bepaalde foutsoorten van nature worden onderdrukt. AWS presenteerde met dit principe een testchip, intern Ocelot genoemd, als stap richting foutbestendige quantumhardware.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus loopt sterk uiteen per toepassing. Kerr-lensmodekoppeling in titanium-saffierlasers is al decennia volwassen technologie: dit soort lasers is commercieel verkrijgbaar en staat in duizenden laboratoria wereldwijd. Optische solitonen in glasvezel zijn wetenschappelijk goed begrepen en hebben belangrijke inzichten opgeleverd voor moderne glasvezelnetwerken, al gebruiken de meeste hedendaagse langeafstandsnetwerken inmiddels andere technieken om signaalvervorming tegen te gaan.
Chipgebaseerde Kerr-frequentiekammen bevinden zich in een overgangsfase van laboratorium naar vroege commerciële toepassing: er bestaan al werkende prototypes voor afstandsmeting (lidar) en telecommunicatie, maar grootschalige, betrouwbare massaproductie en integratie met andere chipcomponenten zijn nog onderwerp van actief onderzoek. Belangrijke obstakels zijn onder meer energieverbruik, temperatuurstabiliteit en het reproduceerbaar maken van de benodigde microresonatoren.
Kerr-cat qubits voor quantumcomputing staan nog vroeg in hun ontwikkeling. De onderliggende natuurkunde is aangetoond in experimenten, maar het opschalen naar systemen met veel qubits, het combineren met andere foutcorrectiemethoden en het aantonen van een duidelijk praktisch voordeel ten opzichte van andere qubit-architecturen (zoals supergeleidende transmon-qubits of ionvallen) is nog niet rond. Onderzoekers zijn het onderling niet eens over hoe snel deze aanpak zal opschalen.
Wie werken eraan?
Op het gebied van chipgebaseerde Kerr-frequentiekammen lopen de EPFL (groep Tobias Kippenberg) in Zwitserland en Caltech (groep Kerry Vahala) in de Verenigde Staten voorop, vaak in samenwerking met Amerikaanse meetinstituten zoals NIST voor toepassingen in optische atoomklokken. Ook onderzoeksgroepen in China, onder meer aan Tsinghua University en de University of Science and Technology of China, zijn actief op dit terrein. In België werkt onderzoeksinstituut imec aan de fabricagetechnologie voor dit soort fotonische chips.
Op het gebied van Kerr-cat qubits voor quantumcomputing zijn de Franse startup Alice & Bob en het Amazon Web Services Center for Quantum Computing (in samenwerking met Caltech) prominente spelers, naast academische groepen die aan supergeleidende quantumschakelingen werken, onder meer in de Verenigde Staten en Frankrijk. Historisch gezien heeft Bell Labs (nu onderdeel van Nokia) een grote rol gespeeld in het fundamentele onderzoek naar het optisch Kerr-effect in glasvezel.