Optisch Magnus-effect: waarom een lichtstraal soms een heel klein zijstapje zet
Iedereen die wel eens naar voetbal of tafeltennis heeft gekeken, kent het beeld: een bal die met veel spin wordt geraakt, buigt tijdens zijn vlucht opzij in plaats van recht door te gaan. Dat heet het Magnus-effect, genoemd naar de Duitse natuurkundige Gustav Magnus die het in de negentiende eeuw beschreef. Een draaiende bal sleept de lucht een beetje met zich mee, waardoor de luchtstroom aan de ene kant sneller gaat dan aan de andere kant. Volgens de wetten van Bernoulli ontstaat daardoor een drukverschil, en dat drukverschil duwt de bal zijwaarts.
Het "optisch Magnus-effect" is de lichtversie van datzelfde idee, al werkt het via een heel ander mechanisme. Licht heeft geen massa en ondervindt geen luchtweerstand, maar het kan wel een soort "spin" hebben: bij circulair gepolariseerd licht draait het elektrische veld als een kurkentrekker rond de voortplantingsrichting. Wanneer zo'n lichtbundel een grensvlak passeert — bijvoorbeeld van lucht naar glas — of door een sterk gekromd pad reist, verschuift de bundel een fractie van een golflengte opzij, en de richting van die verschuiving hangt af van de draairichting van de spin. Natuurkundigen noemen dit verschijnsel ook wel het "photonic spin Hall effect" (het fotoÂnische spin-Hall-effect) of de spin-baankoppeling van licht.
Wat is het precies?
Om het optisch Magnus-effect te begrijpen, moet je twee eigenschappen van licht uit elkaar houden. De eerste is spin-impulsmoment: dat zit in de polarisatie van het licht en kan twee waarden aannemen, afhankelijk van of het elektrische veld rechtsom of linksom draait (rechts- of linkscirculair gepolariseerd licht). De tweede is baanimpulsmoment: dat zit in de ruimtelijke vorm van de lichtgolf zelf, bijvoorbeeld wanneer de golffronten spiraalvormig om de bundelas draaien, zoals bij zogeheten optische vortexbundels.
Zolang licht in een homogeen medium in een rechte lijn reist, blijven deze twee vormen van impulsmoment los van elkaar bestaan. Maar zodra een lichtbundel wordt gebroken of gereflecteerd aan een grensvlak, sterk wordt gefocusseerd met een lens, of door een gebogen glasvezel reist, gaan spin en baanimpulsmoment met elkaar "praten". Een deel van het spin-impulsmoment wordt dan omgezet in een kleine, polarisatie-afhankelijke verschuiving van de bundel loodrecht op zijn oorspronkelijke pad. Die verschuiving is meestal maar een fractie van de golflengte van het licht — bij zichtbaar licht dus kleiner dan een duizendste millimeter — en daarom extreem lastig te meten.
Dit verschijnsel werd al in de jaren vijftig theoretisch voorspeld door de Russische natuurkundige Fjodor Fedorov en later, in de vroege jaren zeventig, experimenteel onderzocht door de Fransman Christian Imbert. Die vroege versie staat bekend als de Imbert-Fedorov-verschuiving. Pas veel later realiseerden onderzoekers zich dat dit verschijnsel in feite hetzelfde is als het Hall-effect uit de elektronica — waarbij een elektrische stroom in een magneetveld zijwaarts wordt afgebogen — maar dan met licht in plaats van elektronen, en met polarisatie in plaats van een magneetveld. Vandaar de naam "spin-Hall-effect van licht".
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderzoek naar het optisch Magnus-effect komt voort uit pure nieuwsgierigheid: natuurkundigen willen precies begrijpen hoe licht zich gedraagt op de grens tussen golf- en deeltjeseigenschappen, en hoe spin en baanimpulsmoment van fotonen elkaar beïnvloeden. Dat fundamentele werk heeft inmiddels wel een aantal concrete toepassingsrichtingen opgeleverd.
Omdat de verschuiving zo extreem klein en gevoelig is voor de eigenschappen van het grensvlak waar het licht op valt, kan het effect worden gebruikt als een uiterst nauwkeurige meetlat. Een verandering in brekingsindex, laagdikte of materiaaleigenschappen van slechts een paar atomen dik kan in principe al een meetbare verandering in de zijwaartse verschuiving veroorzaken. Dat maakt het interessant voor precisiemetrologie en optische sensoren.
Daarnaast hopen onderzoekers de spin- en baaneigenschappen van licht te kunnen gebruiken als een extra "kanaal" om informatie in te coderen, naast de gebruikelijke kleur (golflengte) en intensiteit. Dat zou kunnen leiden tot compactere optische schakelingen, waarin de polarisatierichting van een lichtstraal bepaalt welke weg hij door een chip aflegt — een soort optisch equivalent van spintronica, de elektronicatak die de spin van elektronen gebruikt in plaats van alleen hun lading.
Voorbeelden uit de praktijk
Het eerste overtuigende experimentele bewijs van het spin-Hall-effect van licht kwam in 2008, toen de natuurkundigen Onur Hosten en Paul Kwiat aan de University of Illinois at Urbana-Champaign de verschuiving zichtbaar maakten met een techniek die "zwakke meting" (weak measurement) heet. Omdat het effect zo klein is, versterkten zij het signaal indirect in plaats van het rechtstreeks te meten — een aanpak die sindsdien in veel vervolgonderzoek is overgenomen.
Rond 2013 lieten onderzoekers, onder wie Federico Capasso van Harvard University, zien dat je het effect veel groter en beter controleerbaar kunt maken met zogeheten metaoppervlakken (metasurfaces): kunstmatig ontworpen, extreem dunne structuren met nanopatronen die het licht op maat sturen. Daarmee werd de spin-afhankelijke verschuiving niet langer een storend, nauwelijks meetbaar bijeffect, maar een stuurbaar ontwerpelement.
Een verwant verschijnsel, het gebruik van baanimpulsmoment van licht (spiraalvormige "vortexbundels"), is rond 2012 door de groep van Alan Willner aan de University of Southern California ingezet om meerdere datastromen tegelijk over dezelfde lichtbundel te sturen, in een demonstratie van draadloze datatransmissie met zeer hoge capaciteit. Dit is niet exact hetzelfde als het optisch Magnus-effect, maar maakt gebruik van dezelfde onderliggende fysica van spin- en baanimpulsmoment van licht.
Ook is er onderzoek gedaan naar het gebruik van het spin-Hall-effect van licht om extreem dunne materiaallagen, zoals een enkele laag grafeen, te detecteren via de minieme verandering die zo'n laag veroorzaakt in de zijwaartse bundelverschuiving. Dit soort werk is vooral gepubliceerd door Chinese onderzoeksgroepen in het begin van de jaren 2010 en toont het potentieel voor gevoelige, contactloze materiaalsensoren.
Hoe ver is de techniek?
Het optisch Magnus-effect zelf is inmiddels goed bevestigd, zowel theoretisch als experimenteel: het is geen omstreden of speculatief verschijnsel meer, maar een geaccepteerd onderdeel van de moderne optica. Het probleem is niet of het bestaat, maar hoe je het praktisch bruikbaar maakt, omdat de verschuivingen van nature zo klein zijn.
Met metaoppervlakken is de afgelopen tien tot vijftien jaar flinke vooruitgang geboekt: onderzoekers kunnen de grootte en richting van de spin-afhankelijke verschuiving nu redelijk gericht ontwerpen, in plaats van slechts passief waarnemen. Toepassingen op het gebied van sensing en metrologie zijn vooral nog in de fase van laboratoriumdemonstraties en proof-of-concept-onderzoek; voor zover bekend zijn er nog geen op grote schaal verkrijgbare commerciële sensoren die specifiek op dit effect zijn gebaseerd.
Ook toepassingen met baanimpulsmoment van licht voor datacommunicatie zijn tot dusver vooral labdemonstraties en veldproeven gebleven. Praktische hindernissen, zoals gevoeligheid voor turbulentie in de lucht en het risico dat verschillende datakanalen elkaar gaan storen, hebben ervoor gezorgd dat gevestigde technieken zoals golflengte-multiplexing in de telecomsector voorlopig dominant blijven. Kortom: de fundamentele natuurkunde staat, de techniek om er robuuste producten mee te bouwen is nog volop in ontwikkeling.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld is overwegend academisch en internationaal verspreid. In de Verenigde Staten hebben onder meer de University of Illinois at Urbana-Champaign (waar Hosten en Kwiat hun baanbrekende meting deden) en Harvard University (de groep van Federico Capasso, actief op het gebied van metaoppervlakken) een belangrijke rol gespeeld. Ook de University of Southern California, met het werk van Alan Willner aan impulsmoment-gebaseerde datatransmissie, is een bekende naam in aanpalend onderzoek.
In Israël is het Technion een centrum voor onderzoek naar geometrische-fase-optica en spin-orbit metaoppervlakken, met Erez Hasman als bekende naam. Op theoretisch vlak is Konstantin Bliokh, verbonden aan het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN, samen met Franco Nori een van de auteurs van invloedrijke overzichtsartikelen over spin-baankoppeling van licht. Daarnaast dragen diverse Chinese universiteiten actief bij aan onderzoek naar sensortoepassingen van het spin-Hall-effect van licht. Er is, voor zover bekend, nog geen dominante commerciële speler die het optisch Magnus-effect als kernproduct vermarkt; het blijft vooralsnog vooral het domein van universiteiten en onderzoeksinstituten.