optica

In dit statief wordt een goede digitale camera met telelens geplaatst. Uit meer dan tienduizend foto's wordt zo een enorme Gigapan samengesteld.

Gigapan: Long view

3 reacties / Ideeën en techniek, Maatschappij / Door / 3 november 2021

Een momentopname met meer dan menselijke scherpte vastleggen voor het nageslacht? Nu kan het. Onze verre nazaten kunnen nu zien hoe een regenwoud of een moderne stad er anno 2010 uitzag.

Voorbij de menselijke zintuigen
Ons menselijk gezichtsvermogen is beperkt. Op ons netvlies beschikken we ongeveer over zeven miljoen kegeltjes (die kleur kunnen waarnemen) en honderd miljoen staafjes (voor zwart-wit zicht) [1]. In 2011 scoren de allerbeste digitale camera’s, bijvoorbeeld de Hasselblad H4D-40, rond de veertig miljoen pixels, alle uiteraard kleur. Het record staat in 2011 op 120 megapixels[2], scherper dus dan het menselijk oog. Maar wat krijg je als je een foto maakt van de totale omgeving met honderd miljard pixels, dus rond de  duizend maal zo veel?

In dit statief wordt een goede digitale camera met telelens geplaatst. Uit meer dan tienduizend foto's wordt zo een enorme Gigapan samengesteld.
In dit statief wordt een goede digitale camera met telelens geplaatst. Uit meer dan tienduizend foto’s wordt zo een enorme Gigapan samengesteld.

Gigapan
Het antwoord: Gigapan. Gigapan is een combinatie van een digitale camera met een mechanisch besturingsssysteem en software. Gigapan beweegt de digitale camera heen en weer en maakt zo een groot aantal foto’s. Die worden vervolgens aan elkaar gelast tot één panoramisch beeld, dan driehonderdzestig graden bestrijkt. In totaal is dit honderd miljard pixels, duizend keer zo scherp als het menselijk oog. Zo slaagt Gigapan er in om een volledig moment in de tijd, op een bepaalde plaats, vast te leggen. Honderd miljard pixels is erg veel. Op een complete harde schijf passen er zonder compressie maar enkele van dit soort foto’s, om over beeldbewerking maar te zwijgen. Om die reden hebben de initiatiefnemers van Gigapan.

Moment, bevroren in de tijd
Het maken van een Gigapan betekent dat je het uitzicht op een bepaalde plaats met een bovenmenselijke precisie vastlegt. Het voordeel is dat je niet van tevoren hoeft na te denken wat interessant kan zijn. Met Gigapan wordt alles met een enorme resolutie vastgelegd. Onderzoekers kunnen op die manier de foto nauwkeurig onder de loep nemen en zo achteraf dingen ontdekken die nadere bestudering waard zijn. Dit is een enorm voordeel op bijvoorbeeld Mars – signalen doen er al gauw een kwartier of langer over om heen en weer naar de aarde te reizen. Dit is overigens ook de reden dat NASA betrokken is geweest bij de ontwikkeling van Gigapan (in samenwerking met Carnegie Mellon Universiteit).

Gigapan als flash back
Door de zeer grote resolutie kan iemand uit de toekomst de realiteit anno nu ondergaan alsof hij er zelf staat[3]. Beter zelfs, want je blik is duizend keer zo scherp. Dingen die een menselijke waarnemer anno nu ontgaan omdat ze zo vanzelfsprekend zijn of omdat ze niet opvallen, een bepaald insekt of het serienummer van een apparaatje, kunnen door een historicus uit de toekomst worden geduid. Misschien levert dit essentiële historische data op, denk aan de betekenis die een Griekse potscherf in Mexico zou hebben.

Een tijdcapsule dus. En met de snel toenemende rekensnelheid van computers en grootte van harde schijven, over tien jaar een standaardaccessoire voor digitale camera’s? Wie weet…

Voor wie op Mars wil ronddwalen, is er alvast deze Gigapan. Ook een bezoekje aan Beiroet is een stuk veiliger achter de pc. Behoefte aan een eigen Gigapan? Het model op het plaatje is voor onder de achthonderd euro te bestellen.

Actueel
Anno 2021 is honderd miljard pixels niet zoveel meer. De beste smartphones halen nu standaard 100 miljoen pixels, dat is tien maal meer dan tien jaar geleden. Bigpixel, een Chinees bedrijf, maakt nu standaard 240 miljard pixel opnames, hier van de Tibetaanse hoofdstad Lhasa. Het Gigapan initiatief is nog steeds springlevend. Zie bron.

Bronnen
1. Retina – Wikipedia (EN)
2. Canon develops world’s first 120 megapixel APS-H CMOS sensor, DPreview.com
3. Panoramic Possibilities, LongNow Foundation
4.  Gigapan
5.  Opname van Lhasa, Tibet. Bron: Bigpixel.cn

Sneller dan het licht is wél mogelijk

19 reacties / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 21 augustus 2016

Vanaf onze vroege kinderjaren wordt ons al voorgehouden dat niets sneller dan het licht gaat. Mede omdat ik een provocerende persoonlijkheid bezit vind ik het leuk om dit soort onwaarheden aan de kaak te stellen. Een overzicht van dingen die sneller dan het licht gaan.

1: Tachyonen (hypothetisch),

Een tachyon (uit het Grieks: ταχύς (tachús), ‘snel’) is een hypothetisch exotisch deeltje dat beweegt met een snelheid groter dan de lichtsnelheid.

De eerste beschrijving van tachyonen wordt toegeschreven aan de Duitse natuurkundige Arnold Sommerfeld, maar het waren George Sudershan[1][2] en Gerald Feinberg[3] (die de term bedacht) in de jaren zestig die een theoretisch model ontwikkelden voor onderzoek. Tachyonen worden in meerdere theorieën gebruikt, waaronder de snaartheorie. In termen van speciale relativiteit is een tachyon een deeltje dat zich op een ruimteachtige(in plaats van een tijdachtige) baan beweegt en een imaginaire eigentijd heeft.

2: Expansie van het heelal,

Hoe snel expandeert ons heelal? Is dit sneller dan het licht, of juist langzamer? Een van de mooiste antwoorden die ik ooit heb gehoord heb kwam van Prof. Christoffel Waelkens. We hebben geen snelheid die te meten is in aardse begrippen. De uitdijing volgt uit de wet van Hubble, die stelt dat de sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen met een snelheid evenredig met hun onderlinge afstand. Twee maal zo ver betekent twee maal zo snel. Helaas gaat deze wet alleen maar op bij de erg grote afstanden. De wet werd geformuleerd door Edwin Hubble in 1929.

3: Verstrengelde deeltjes,

Observaties betreffende verstrengelde staten lijken in strijd te zijn met de eigenschap van de relativiteitstheorie dat informatie niet sneller kan reizen dan de lichtsnelheid. Hoewel twee verstrengelde systemen elkaar lijken te beïnvloeden over grote afstand in de ruimte, is de huidige opinie dat geen bruikbare informatie op deze wijze overgebracht kan worden, wat betekent dat de ‘oorzakelijke natuurkunde’ niet geschonden wordt door verstrengeling. Dit is de geen-communicatie-stelling (“no-communication theorem“).

4: Superman,

Superman werd geboren als Kal-El, zoon van de wetenschapper Jor-El en zijn vrouw Lara Lor-Van, op de planeet Krypton. Deze planeet stond op het punt te ontploffen, waardoor Supermans ouders besloten hem te evacueren met een ruimteschip. Dit schip werd naar de Aarde gestuurd, aangezien deze planeet eveneens een perfect leefklimaat had voor Kryptonianen. Op de Aarde landde het schip net buiten het kleine dorpje Smallville, waar de jonge Kal-El werd gevonden en geadopteerd door Jonathan en Martha Kent. Zij noemden hem Clark Kent. (PS: voor de lezers met een autisme spectrum stoornis: ja, dit is humor)

5: Vuurtoreneffect,

De bundels elektromagnetische straling die pulsars rond sproeien, lijken veel sneller dan het licht te reizen. Als er een groot kosmisch scherm zou bestaan, zou je op dit scherm de bundels van pulsars in seconden tijd vele lichtjaren af zien leggen. Dit is echter maar schijn. De bundel kan geen informatie  sneller dan het licht laten gaan.

6: Evanescerende golven,

Er bestaat licht, dat sneller dan de lichtsnelheid gaat. Het gaat hier om zogenoemde evanescerende (‘verdwijnende’) golven. Deze ontstaan bij totale interne reflectie (alle licht in een optisch medium, zoals glas, wordt op het grensvlak teruggekaatst). Erg ver reizen evanescerende golven niet: hun intensiteit neemt in licht met een macht e af, elke 130 nanometer afstand. Dit is mogelijk, omdat evanescerende golven geen energie en informatie dragen. Wie niet bang is voor wat pittige optica, staat HIER hoe golven sneller dan het licht kan reizen.

Wiskundig is het al een aantal jaren mogelijk om sneller dan het licht te gaan. Trouwe Visionair-lezers wisten dit al in 2012 :

Al meer dan honderd jaar is het een dogma: niets kan sneller bewegen dan het licht, want in dat geval levert de speciale relativiteitstheorie onzin op. Maar klopt dat laatste wel? Wiskundigen zijn er nu in geslaagd een sneller-dan-licht beweging te beschrijven en zo Einsteins theorie voorbij de lichtsnelheid op te rekken.

Onze intergalactische ambities komen steeds dichterbij de realiteit, mede door visionairs als Alcubierre en Harold White. Deze mannen hebben de relativiteitstheorie goed begrepen. Alles is namelijk relatief.

warp-drive

Video: wat is het verschil tussen radiostraling, licht en gammastraling?

5 reacties / Ideeën, natuurkunde, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 21 augustus 2021

Licht, radiogolven en röntgenstraling hebben één ding gemeen: het zijn alle vormen van elektromagnetische straling. Alle elektromagnetische straling bestaat uit fotonen. Dat zijn deeltjes die bestaan uit een elektrisch en magnetisch veld. Fotonen die snel trillen, zoals in gammastraling, bevatten heel veel energie. Radiofotonen zijn erg zwak en verspreid over een groot gebied. Daarom kan je met gammastraling veel nauwkeuriger kijken dan met radiostraling.

Omdat gammafotonen erg energierijk zijn, zijn ze ook gevaarlijk. Ze meppen zonder problemen elektronen van atomen af. Radiofotonen zijn daar veel te zwak voor. Als dat atoom deel uit maakt van bijvoorbeeld een DNA-molecuul, heeft dat vervelende gevolgen. Er ontstaat een zogenoemde vrije radicaal. Het molecuul wordt verminkt. Er kan een mutatie ontstaan en mogelijk zelfs kanker. Daarom zitten er dikke beschermende loden schilden om bronnen van gammastraling.

Wikipedia/Inductiveload, NASA (CC-BY-3.0)
De werking van Li-Fi. Bron/copyright: Pure-LiFi.com

Li-Fi, razendsnel netwerken met ledlampje

3 reacties / Analyses, Filosofie, Ideeën, Ideeën en techniek, Techniek / Door / 8 februari 2021

De Schotse professor Harold Haas ontwikkelde een communicatiesysteem dat bijna te mooi is om waar te zijn en nog oersimpel bovendien. Li-Fi verslaat wifi op bijna alle terreinen met stukken.

Wat is Li-Fi?

Stel je voor, je kan een complete film downloaden in enkele seconden. Hiervoor hoef je geen netwerkkabel in je geplaagde laptopje te prikken. Of alle Wi-Fi kanalen van je router met obscure technische trucjes aan elkaar te knopen. Nee, het enige wat je hoeft te doen is het ding in het bereik van je lamp in het plafond te leggen. Die is namelijk door een kleine uitbreiding in de fitting omgetoverd tot een Li-Fi zender. De flikkeringen gaan honderden miljoenen malen sneller dan de mens waar kan nemen. De bandbreedte van Li-Fi is enorm: tienduizend keer zo groot als die van alle radiofrequenties samen. Technici van het Mexicaanse bedrijf Sisoft bereikten tot 10 Gb per seconde. Dat betekent: snel genoeg om een complete blu-ray film over te zenden binnen de vijf seconden. Sneller dan harde schijven zelfs.

De werking van Li-Fi. Bron: purelifi.com (fair use)
De werking van Li-Fi. Bron: purelifi.com (fair use)

Hoe werkt Li-Fi?

Centraal in Li-Fi staan twee welbekende elektronische componenten, de transistor en de LED,  en een minder bekende, de fotocel. Een datasignaal bestaat uit korte spanningspulsjes (de enen), waartussen spanningsloze periodes (de nullen) liggen. Kortom stroom. Een transistor (elektrofanaten kennen het ding met drie pootjes) laat alleen stroom door, als de stuurstroom met het datasignaal aan staat (het signaal 1 doorgeeft). De transistor laat dan stroom door naar de LED. Die gaat precies op de maat van het datasignaal knipperen. Dit is de complete zender. Deze bestaat dus uit welgeteld twee onderdelen. Dat is bij een wifi-modem wel anders.

Uiteraard moet het signaal ook ontvangen worden. Omdat ruis een probleem is, moet dit weggevangen worden. Dit vereist een ingewikkelder schakeling. Overigens nog steeds simpeler dan een wifi-ontvanger. Uiteraard moeten er ook communicatieprotocollen en dergelijke mee worden gestuurd, maar in feite is dit de gehele techniek.

Wat kan je met Li-Fi?

Li-Fi is te vergelijken met een onzichtbare glasvezelkabel. Gegevensuitwisseling tussen twee mensen wordt veel sneller. Door de eenvoud en de snelheid kunnen ook kleine gadgets, die het Internet of Things uit gaan maken, hiervan gebruik maken. Kabels leggen is nu in feite niet meer nodig, behalve wellicht van de modem naar de lamp. Want zelfs door de muur teruggekaatst licht blijkt nog 70 Mbit per seconde toe te laten. Dat is meer dan de meeste breedbandabonnementen nu. Je zou bij wijze van spreken de inhoud van een complete draagbare harddisk met duizend films in een paar uur via een ledlamp laten streamen en al je vrienden of collega’s zo kunnen voorzien van een jaar fulltime filmkijkplezier. Realistische virtual en augmented reality wordt hiermee een peulenschil. De bandbreedte is er nu gewoon.
Ook aantrekkelijk aan Li-Fi is de lage prijs, bij massaproductie tien keer zo goedkoop als wi-fi. Kortom: het lijkt erop dat Li-Fi het leven een stuk leuker gaat maken.

Hoe kan je zelf aan de slag met LiFi?

Helaas zijn de Pure-LiFi evaluatiekits voor deze veelbelovende technologie alleen beschikbaar voor grote bedrijven, en met 2500 euro nogal prijzig voor individuen en kleine ondernemers. Toch hebben we na enige speurwerk deze aanbieder in India gevonden. Het LiFi-knutselsetje van Research Design Lab is voor Nederlandse en Belgische begrippen betaalbaar – rond de 170 euro. Wel is de datasnelheid met max. 115 kb vrij mager. Waarschijnlijk kunnen handige hobbyisten dit systeem upgraden.

Dansende elfjes met een femtolaser. Over uiterlijk tien jaar bij u in de huiskamer.

Video: echte hologrammen nu een feit

2 reacties / Ideeën / Door / 27 juni 2015

Vergeet virtual reality brillen. Voor het eerst is het een groep Japanners nu gelukt om echte hologrammen in de lucht te laten zweven, net als in Star Wars. Technische uitleg na het filmpje.

Het geheim van de Fairy Lights: extreem korte infrarood-laserpulsen van enkele femtoseconden, die luchtmoleculen ioniseren, dat wil zeggen: er elektronen van af meppen, waardoor een heel kortdurend plasma van elektronen en ionen ontstaat. Een plasma is ondoorzichtig. Dus er ontstaat een kortdurend beeld, wanneer het door zichtbaar-licht lasers worden beschenen.

Uiteraard staan luchtmoleculen niet stil: een gemiddeld zuurstof- of stikstofmolecuul beweegt met rond de 400 meter per seconde. Deze laserpulsen zijn echter zo extreem kort, dat ze bevroren lijken in de tijd. In een femtoseconde beweegt een luchtmolecuul minder dan de diameter van een atoom, zelfs het licht beweegt in 10-15 seconde maar 0,3 micrometer, de diameter van een virusdeeltje. Inderdaad. Toverlichtjes.

Dansende elfjes met een femtolaser. Over uiterlijk tien jaar bij u in de huiskamer.
Dansende elfjes met een femtolaser. Over uiterlijk tien jaar bij u in de huiskamer.

 

Bron:
Digital Nature Group, Japan

Het zonnespectrum. Het gedeelte onder de gele curve is het zonlicht zoals in de ruimte, het rode gedeelte bereikt het zeeniveau. Bron: Wikimedia Commons

Commerciële zonnecel bereikt 40% efficiëntie

3 reacties / Ideeën en techniek, Techniek, Wetenschap / Door / 8 december 2014

De vinding verdubbelt de bestaande efficiëntie. Door een nieuwe techniek maakt een team Australiërs gehakt van de beruchte Shockley–Queisser limiet. Hun vinding is, zeggen ze, met gemak toe te passen in commerciële productielijnen.

Waarom is efficiëntie belangrijk?
Zonnepanelen kunnen slechts een klein deel van de beschikbare zonne-energie in elektriciteit omzetten. De doorsnee commercieel verkrijgbare zonnepanelen halen tussen de 15 en 20 procent. Voor zonnefarms is dit niet zo’n punt. Landbouwgrond, en zeker woestijngrond, is niet erg duur en valt qua kostprijs in het niet vergeleken met de kosten per watt vermogen. Voor huizenbezitters, vooral in Nederland met de relatief kleine dakoppervlakte, ligt dit anders. Pas als zonnepanelen in staat zijn ook van een kleine oppervlakte veel energie op te wekken, wordt energieonafhankelijkheid haalbaar. Ook halveren de aanlegkosten als er maar half zoveel oppervlak met zonnepanelen belegd hoeft te worden.

Hoe werkt de vinding?
Zonlicht op zeeniveau bestaat uit fotonen met verschillende golflengtes, ruwweg tussen 250 nm (violet) en 1350 nm (nabij infrarood), met nog een venster tussen 1500 en 1750 nm. Voor zonnepanelen is er doorgaans een optimale golflengte. Deze is precies voldoende om een elektron uit de vanglaag te laten springen en daarvan de energie af te tappen. Te energierijke (korte) fotonen leveren energieverspilling op, het overschot aan energie wordt dan gedumpt als afvalwarmte. Te zwakke (lange) fotonen zijn niet in staat zijn het elektron te laten ontsnappen en dus geheel verloren gaan.

Het zonnespectrum. Het gedeelte onder de gele curve is het zonlicht zoals in de ruimte, het rode gedeelte bereikt het zeeniveau. Bron: Wikimedia Commons
Het zonnespectrum. Het gedeelte onder de gele curve is het zonlicht zoals in de ruimte, het rode gedeelte bereikt het zeeniveau. Bron: Wikimedia Commons

De vinding van het team bestaat uit een optisch bandbreedtegevoelig filter, waardoor sommige golflengtes worden doorgelaten en andere worden teruggekaatst. Achter het filter bevindt zich een zonnecel, die is geoptimaliseerd voor de doorgelaten golflengte. Het teruggekaatste licht komt terecht op een andere zonnecel, die dan weer is geoptimaliseerd voor de golflengtes van het teruggekaatste licht. Deze constructie is omslachtig, maar lonend als gebruik wordt gemaakt van met spiegels geconcentreerd zonlicht, zoals in commerciële zonnefarms.

Toepassingen
Eén van de firma’s die meewerkten aan het project is het Amerikaane Spectrolab, dat speciale zonnecellen voor ruimtevaart en concentrators levert. Dit is ook de meest voor de hand liggende toepassing van deze vinding. Door de zonnecellen hiermee te upgraden, kan vrij eenvoudig de capaciteit van de concentrators worden verdubbeld.
Voor particulieren wordt deze vinding pas interessant, als er een elegant en betaalbaar systeem komt dat er voor zorgt dat, onafhankelijk van de zonnehoek, licht van een bepaalde golflengte altijd op de juiste zonnecel terecht komt. Mogelijk zou je kunnen werken met laagjes materiaal met een verschillende brekingsindex, of concentratorcellen met optische lichtgeleiders.

Bron
UNSW researchers set world record in solar efficiency, UNSW News, 2014

Dit metamateriaal vervangt een zware berekening, zoals het vaststellen van de randen in een foto. Bron: Wikimedia Commons.

Rekenen met glas en licht

3 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door / 14 januari 2014

Digitale computers zijn alomtegenwoordig, maar dat was niet altijd zo. Analoge computers kennen een aantal sterke punten en versloegen tot ver na de Tweede Wereldoorlog hun digitale evenknieën bij natuurkundige simulaties met stukken. Deze nieuwe analoge computer kan letterlijk rekenen met de snelheid van het licht. Heeft de Turing-model computer zijn langste tijd gehad en zullen we een uitwaaiering van computertechnologie zien?

Het verschil tussen analoge en digitale computers
Digitale computers zijn de computers die we allen kennen uit het dagelijkse leven (en waar dit artikel ook op geschreven wordt). Digitale computers werken op basaal niveau met nul- en één toestanden, in de informatietechnologie aangeduid als bits. Acht bits vormen een byte. Digitale computers zijn gebaseerd op het manipuleren van deze elementaire aan- en uittoestanden met bijvoorbeeld AND, OR of XOR operaties.

De functie links wordt door het metamateriaal omgezet in een afgeleide functie. Bron: publicatie
De functie links wordt door het metamateriaal omgezet in een afgeleide functie. Bron: publicatie

Analoge computers werken fundamenteel anders. In een analoge computer wordt het wiskundige systeem waaraan berekeningen worden uitgevoerd, letterlijk nagebootst. Simpele analoge computers, zoals een rekenliniaal en het mysterieuze antieke Griekse Antikythera mechanisme vormden buiten het menselijk brein voor duizenden jaren de krachtigste computers die we kenden.

Elektrische analoge computers konden veel sneller dan digitale computers differentiaalvergelijkingen oplossen, die zo ongeveer in elke exacte natuurwetenschap het werkpaard vormen om processen te beschrijven. Een functie werd ingevoerd als een in de tijd variërende elektrische spanning, waarbij elke variabele werd ingevoerd met een eigen ingang. Het resultaat was de oplossing van de differentiaalvergelijking, in de vorm van een uitgangsspanning, die met bijvoorbeeld een oscilloscoop op een scherm werd geprojecteerd. Pas in de zestiger jaren verdwenen de elektrische analoge computers uit de onderzoekslaboratoria. De explosieve toename van de rekencapaciteit van digitale computers maakte ze overbodig: digitale computers zijn veel makkelijker te bedienen en te programmeren.

Rekenen met metamaterialen
Metamaterialen zijn materialen die opgebouwd zijn uit verschillende andere materialen en daardoor anders onmogelijke eigenschappen krijgen. Zo kan je met metamaterialen lenzen met een negatieve brekingsindex bouwen, wat met normale materialen onmogelijk is. Onderzoekers zijn er nu in geslaagd een metamateriaal te ontwikkelen, althans: theoretisch te simuleren, dat een invallende lichtgolf automatisch diffetrentieert, dat wil zeggen omrekent in zijn afgeleide. Een uitgaande lichtgolf dus, die de veranderingssnelheid van de ingaande lichtgolf voorstelt.  Erg handig: dit materiaal rekent vrijwel zonder energieverbruik en letterlijk met de snelheid van het licht, zonder dat (zoals in een digitale computer) de processor roodgloeiend wordt.

Dit metamateriaal vervangt een zware berekening, zoals het vaststellen van de randen in een foto. Bron: Wikimedia Commons.
Dit metamateriaal vervangt een zware berekening, zoals het vaststellen van de randen in een foto. Bron: Wikimedia Commons.

Blokje materiaal vervangt zware computer
Ook andere differentiaalberekeningen die nu enorm veel rekencapaciteit kosten, zoals het berekenen van de primitieve functie (omgekeerde differentiëring) of een convolutie kunnen zo werkelijk in een fractie van een nanoseconde verricht worden. Omdat dit materiaal ook zeer klein en compact vormgegeven kan worden, betekent dat dat in enkele millimeters materiaal het rekenwerk van een zware pc overgenomen kan worden. Dit betekent weer dat er zeer kleine besturingssystemen voor zeer kleine sensoren, apparaatjes of insectachtige minirobotjes, die reageren op simpele zintuiglijke invoer, gebouwd kunnen worden. Je hoeft dan alleen deze lichtbundels te combineren en wat simpele lichtcellen op de plekken te plaatsen waar ze de stroomvoorziening voor de motoren kunnen regelen.

Bronnen
A. Silva et al., Performing Mathematical Operations with Metamaterials, Science (2014)

Licht kan onder bepaalde omstandigheden uit zichzelf om een rechte hoek buigen. Bron: [3]

‘Krom licht mogelijk’

6 reacties / Wetenschap / Door / 15 november 2021

Een lichtstraal die uit zichzelf in een cirkel draait. Krom licht is onmogelijk, dachten natuurkundigen tot nu toe. Een team onderzoekers van het Israëlische Technion toont nu aan dat de fundamentele Maxwellvergelijkingen, die het gedrag van onder meer licht beschrijven, dit wel degelijk toelaten. Kunnen we nu lichtbatterijen, lichtzwaarden zoals de Jedi van Star Wars, fotonische schilden en een machine of ruimteschip van zuiver licht bouwen?

Licht kan krom bewegen

Licht kan onder bepaalde omstandigheden uit zichzelf om een rechte hoek buigen. Bron: [3]
” Licht kan onder bepaalde omstandigheden uit zichzelf om een rechte hoek buigen. Bron: 3

Licht beweegt in een rechte lijn. Het was in feite de manier waarop een trillend magnetisch veld een elektrisch veld opwekt en vise versa, die de geniale James Clerk Maxwell op het spoor zette van de ware aard van licht: elektromagnetische straling. Volgens deze oplossing beweegt een foton, een lichtkwantum, zich altijd in een rechte lijn. Uiteraard kan licht worden afgebogen – met lenzen, spiegels of in extreem gekromde ruimtetijd, zoals rond een zwart gat, maar dit vereist kunstgrepen. Visionaire wetenschappers stelden zich echter al sinds Maxwell met zijn oplossing kwam, de vraag of er geen andere oplossingen denkbaar zijn, waarbij licht in een gekromd pad gaat bewegen zonder daartoe gedwongen te worden. Volgens de wiskundige afleiding van de groep, zijn er inderdaad oplossingen voor de vergelijkingen van Maxwell die toelaten dat licht in een nauwere cirkel beweegt dan tot nu toe mogelijk werd geacht.

Krom licht gemaakt

Volgens de oplossingen kromt het licht over een hoek van meer dan negentig graden, waarbij het zichzelf weer herstelt. Al eerder, eind jaren zeventig, werd ontdekt dat de golf die beschrijft hoe kwantumdeeltjes zich voortbewegen (de Airy-golf, genoemd naar de wiskundige Airy-functie die deze beschrijft) in bepaalde omstandigheden zich spontaan een beetje kromt.  In 2007 slaagden natuurkundigen van de universiteit van Centraal Florida er in om werkelijke optische versies van de Airy-golven op te wekken die zich inderdaad iets kromde. Het onderzoek van Technion is uniek, omdat de auteurs claimen dat het mogelijk is het licht veel verder te laten krommen, zelfs tot een complete cirkel. Een recente ontdekking [2] waarin het licht in een experiment meer dan 60 graden afboog, zien ze als eerste bevestiging.

Collega-natuurkundigen, waaronder Zhigang Chen van San Francisco State University, zijn opgewonden over de vondst[3]. Deze is namelijk ook toe te passen in andere, lineaire, fysische systemen waarin golven voorkomen, zoals geluidsgolven, watergolven en veel vormen van klassieke golven. Ook opent deze ontdekking een fascinerende mogelijkheid: licht in een cirkel laten bewegen: de optische boomerang. Je zou zo een krachtveld kunnen opwekken: een beschermende lichtcirkel, die alles wat er doorheen probeert te breken vernietigt. Zwakkere varianten kunnen worden gebruikt om deeltjes te manipuleren, als een soort optisch pincet dus. De auteurs van de studie, waarschijnlijk science fiction liefhebbers, denken inderdaad ook in deze richting. Ze willen uitzoeken of lichtstralen ook in drie dimensies kunnen versnellen (m.a.w. afbuigen), ook door banen te volgen die niet in één vlak liggen. Bijvoorbeeld een soort optische kurkentrekker. Hierdoor kunnen ook deeltjes kleiner dan de golflengte van het licht gemanipuleerd worden. Misschien dat mijn wilde fantasie van een jaar geleden, licht als bouwmateriaal, dan toch werkelijkheid kan worden?

May the force be with you.

Bronnen
1. Ido Kaminer, Rivka Bekenstein, Jonathan Nemirovsky en Mordechai Segev, Nondiffracting Accelerating Wave Packets of Maxwell’s Equations, Phys. Rev. Lett. 108, 163901 (2012) (gratis toegankelijk)
2. F. Courvoisier, A. Mathis, L. Froehly, R. Giust, L. Furfaro, P.-A. Lacourt, M. Jacquot, J. M. Dudley, Sending femtosecond pulses in circles: highly non-paraxial accelerating beams, ArXiv (2012) (idem)
3. Zhigang Chen, Light Bends Itself into an Arc, Physics (2012) (idem)

De fotonzeef ontvouwt zich. Bron: USAF

De fotonzeef: een onvernietigbare telescoop

1 reactie / Ideeën, Ideeën en techniek, Universum, Zonnestelsel / Door / 7 april 2012

Ruimtetelescopen geven een loepzuiver beeld, maar ze kennen twee nadelen: ze zijn peperduur en erg gevoelig voor beschadiging. Fotonzeven kennen deze nadelen niet, de reden waarom de onderzoekspoot van het Amerikaanse leger, DARPA, grote belangstelling heeft…

Hoe werkt een fotonzeef?
Stel je voor: een in de ruimte zwevende extreem dunne plastic pannenkoek, waarin miljoenen kleine gaatjes zijn geboord. De gaatjes zijn zo gerangschikt (in concentrische ringen) dat het licht dat er doorheen schijnt, op een brandpunt wordt. Dat is in feite de basisopbouw van de fotonzeef. De fotonzeef werkt niet door refractie, zoals een spiegel, of afbuiging van licht in een medium zoals glas, maar door diffractie. Fotonen die door de gaatjes reizen, vormen door de uitgekiende rangschikking van de gaatjes een golffront dat is afgebogen richting het brandpunt. Vergeleken met traditionele lenzen bereiken maar weinig, rond een tiende, van de fotonen het brandpunt en er is alleen zwart-wit beeld beschikbaar, omdat de diffractie licht van verschillende golflengte (kleur) verschillend sterk afbuigt. De fotonzeef is volkomen plat; er zijn zelfs experimenten gedaan met het maken van foto’s door middel van een op een transparant materiaal geprinte lens.

De fotonzeef ontvouwt zich. Bron: USAF
De fotonzeef ontvouwt zich. Bron: USAF

Goedkoop en opvouwbaar
Waar een ruimtetelescoop als de Hubble al gauw enkele miljarden euro’s kost, kunnen fotonzeven, weanneer in massa geproduceerd, voor een honderdduizendste van dat bedrag geproduceerd en gelanceerd worden. Het voornaamste voordeel van de fotonzeef is dan ook de extreem lage prijs. Ook kunnen fotonzeven makkelijk opgerold worden en zonder problemen elke denkbare grootte meekrijgen. Voor een experiment stuurt Geoff Anderson, onderzoeker in opleiding aan de US Airforce Academy in Colorado Springs, Colorado, nu een als een koffiefilter opgevouwen pannenkoek mee met een 3U CubeSat, een goedkoop dwergsatellietje met een inhoud van ongeveer drie liter. De twintig centimeter doorsnede fotonzeef is voorzien van maar liefst 2,5 miljard gaatjes. Als eerste project wil Anderson een foto maken van de zon.

Spionagetelescoop van 20 m
DARPA denkt verder na over dit soort telescopen, sinds de Chinezen er in 2007 in slaagden met een anti-satellietraket een testsatelliet te vernietigen. Dit deed de Amerikanen realiseren dat  hun dure spionagetelescopen weliswaar glashelder beeld geven, maar ook gemakkelijk uit te schakelen zijn door een vijandige ruimtemacht. Omdat fotonzeven goedkoop in serie te produceren zijn – er wordt een vergelijkbare etstechniek gebruikt die ook voor computerchips wordt geproduceerd – zou een grote vloot aan ruimtetelescopen kunnen worden gelanceerd die nauwelijks uit te schakelen zijn.

DARPA werkt nu aan een 20 m grote telescoop. Hiermee moeten objecten kleiner dan een meter op het aardoppervlak zichtbaar worden.

Ook burgerastronomen verwelkomen de fotonzeef. Waarnemingstijd op de dure ruimtetelescopen is zeer schaars en gewild. Een goedkoop alternatief is dan ook zeer gewild. Een grote vloot zwevende pannenkoeken zou dan ook gebnruikt kunnen worden om bijvoorbeeld op de aarde lijkende exoplaneten op te sporen. Wel zou het beeld van deze exoplaneten uit slechts enkele pixels bestaan en dus niet echt spectaculair zijn. Een betere, dure telescoop kan dan later gericht de exoplaneet bestuderen.

Bron
Geoff Anderson et al., Photon Sieve Space Telescope, USAFA (2012)

“Optisch gekko-effect geeft grote kleefkracht”

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door / 8 december 2021

Met bepaalde metamaterialen is het in principe mogelijk om als een gekko tegen een metalen muur op te klimmen en de kleefkracht met een druk op de knop aan of uit te zetten. Dit voorspellen natuurkundigen.

Lichtdruk

Al in 1871 voorspelde James Clerk Maxwell dat licht een kracht uitoefent op alles wat het raakt. Deze stralingsdruk is zwak, denk aan enkele newtons (een newton is de druk die 100 gram materie door de aardse zwaartekracht uitoefent) per vierkante kilometer oppervlak, maar aantoonbaar door licht op een molentje met donkere en lichte oppervlakken te laten vallen. Zonnezeilen en laserkoeling werken op dit principe.

Optische kracht

John Zhang en zijn collega’s van de universiteit van Southampton in Engeland hebben een nog veel sterker effect ontdekt. Zij voorspellen dat er een vele malen sterkere optische kracht kan bestaan tussen een metaal of diëlektrische plaat en  een metamateriaal, een materiaal met een complexe interne structuur. In dit geval gaat het om een metamateriaal met exotische optische eigenschappen. Dit effect maakt gebruik van plasmons.

Wat zijn plasmons?

Niet alleen atomen, maar ook trillingen, warmte en geluid zijn gekwantificeerd in elementaire ‘deeltjes’. Zo bestaat warmte uit fononen:  elementaire trillingen die door materie reizen. de precieze sterkte van deze trillingen verschilt uiteraard per type materie.  Trillingen van de elektronen op de oppervlakte van materie worden plasmons genoemd.  Deze trillingen zijn maar klein in amplitude – nanometers, aanmerkelijk kleiner dan die van de golflengte van zichtbaar licht. Al eerder beschreven we een truc om door licht om te zetten in plasmons, licht door een zeer kleine opening te laten reizen.

Hoe werkt het effect?

In hun artikel beschrijven Zhang en zijn collega’s, dat in principe deze plasmons in resonantie kunnen komen met de elektronen van het andere oppervlak. Hierdoor ontstaat een resonerend effect dat beide oppervlakken tegen elkaar aan trekt.

Plasmons zijn trillingen, dus hebben een bepaalde trillingsfrequentie. Als deze met licht van precies de juiste golflengte worden geraakt, wordt de aantrekkende kracht erg sterk. Hoe sterk, hangt af van de frequentie en intensiteit van het invallende licht. In principe wekt licht met een intensiteit van enkele tiende watt per vierkante meter een voldoend sterk effect op om de zwaartekracht van een 50 nm dik goudlaagje te compenseren.

Wat kunnen we er mee?

De technische toepassingsmogelijkheden hiervan zijn groot in aantal. Zhang en zijn collega’s noemen bijvoorbeeld de mogelijkheid om met een optische scantip nano-objecten op te pakken (kijken en grijpen tegelijkertijd dus; essentieel voor micro- en nanotechnologie) en het aanpassen van de eigenschappen van metamaterialen met behulp van licht – programmeerbare materie dus.

En zo zijn er heel wat meer toepassingen te verzinnen. Een carrière als Spiderman bijvoorbeeld? Voor dat laatste zijn uiteraard extreem veel grotere sterktes nodig waarvan het de vraag is of die haalbaar zijn.

Experimenten

Alleen is de kracht nog niet experimenteel aangetoond. Wel geven Zhang en zijn collega’s nuttige aanwijzingen om deze kracht te vinden en stellen zelfs dat de hier beschreven nabije-veld elektromagnetische kracht gemakkelijk te detecteren moet zijn.

Naschrift: op dit moment (2021), negen jaar na deze veelbelovende aankondiging, is er nog geen experimentele bevestiging van het effect bekend.