optica

Door een slimme configuratie van lichttrechters kan er veel meer straling ingevangen en geconcentreerd worden.

Licht in nanokanaaltje gepropt

3 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 28 oktober 2011

Alsof je een walvis door een afvoerpijp laat zwemmen. Daarmee kan je de opmerkelijke prestatie vergelijken om licht door een kanaaltje, vijfhonderd keer smaller dan de golflengte te persen. De mogelijkheden voor creatieve uitvinders zijn enorm. Denk alleen al aan veel betere infrarood zonnepanelen en gevoeliger nachtkijkers.

Door een slimme configuratie van lichttrechters kan er veel meer straling ingevangen en geconcentreerd worden.
Door een slimme configuratie van lichttrechters kan er veel meer straling ingevangen en geconcentreerd worden.

Gaatjes zuigen licht op
Stel je voor dat alle licht dat op de muren van je huis valt, alsnog door de ruiten naar binnen gaat. Bij ‘power funneling’ blijkt dat er meer licht door de gaatje reist dan je zou verwachten als je het totale oppervlak van de gaatjes vergelijkt met die van de rest van het oppervlak. Dit bizarre effect heet in fysisch vakjargon extraordinary optical transmission (EOT) en wordt veroorzaakt omdat lichtdeeltjes die het oppervlak raken, worden omgezet in plasmons (oppervlaktetrillingen). Deze plasmons bewegen dan weer door de trechters heen. Dit proces berust echter op resonantie, waardoor alleen een heel nauw bereik van golflengtes (kleuren) kan worden geoogst. Het is uiteraard zeer interessant om het licht van een breed spectrum, bijvoorbeeld alle zichtbare licht, te kunnen concentreren. Dan zou je er bijvoorbeeld een zonnecel mee kunnen bouwen. Daarvoor is het nodig niet-resonante technieken te ontwikkelen. Ook zijn de ontwerpeisen zo veel minder streng.

Breed spectrum kan worden geoogst en geconcentreerd
Dat concept ontwikkelen is nu gelukt. De onderzoekers stellen een structuur voor van kanaaltjes die veel en veel smaller zijn dan de golflengte van het licht. Hun apparaat bestaat uit een patroon van kleine en grote rechthoekige spleten, geëtst in een dun goudlaagje op een draagstof. Terwijl de grote spleten zorgen dat er meer licht wordt geoogst door de kleine spleten, zorgen de kleine spleten dat het licht nog nauwer op wordt gesloten en daarmee wordt versterkt.

Veel gevoeliger infrarood detectoren
In hun model bereiken ze een hoge concentratiefactor van licht, denk aan factor dertien tot twintig. Hun structuur is afgestemd op infrarode (warmte) straling. Mensen laten overal zwakke, kortdurende infraroodsporen achter, die je door middel van dit gevoelige proces kunt waarnemen. Ook kunnen infrarood-detectoren, mogelijk ook infrarood draadloze verbindingen en allerlei meetapparatuur veel nauwkeuriger worden.

Het gaat hier om structuurtjes op nanoschaal. Op dit moment is nanofabricage snel aan het evolueren, zodat deze kleine structuurtjes vermoedelijk binnen enkele jaren al geproduceerd kunnen worden. Weliswaar kunnen de kleine spleetjes nog smaller (wat de versterkingsfactor nog meer zou vergroten), maar kwantum tunneling, waardoor de energie weglekt, gaat dan roet in het eten gooien. Ook komen ze zo aan de grens van wat nanofabricage aankan.

Onderzoekers G. Subramania en I. Bremer van Sandia National Laboraties in Californië en S. Foteinopoulou van de Britse universiteit van Exeter hebben hun concept oktober 2011 gepubliceerd in het vooraanstaande natuurkundige vakblad Physical Review Letters.

Bron:
G. Subramania, et al. “Nonresonant Broadband Funneling of Light via Ultrasubwavelength Channels.” Physical Review Letters, 107, 163902 (2011)

Zwarter dan zwart materiaal ontdekt

17 reacties / Wetenschap / Door / 2 oktober 2011

Zwarte verf absorbeert ongeveer 85% van het licht dat er op valt. Onderzoekers hebben nu naar eigen zeggen een materiaal ontwikkeld dat een indrukwekkende 99% absorbeert. Erg handig, onder meer voor betere zonnecellen.

Evgenii Narimanov van Purdue University (waar wel meer opmerkelijk onderzoek vandaan komt) en een aantal collega’s hebben iets anders bedacht dan verf: een zogeheten hyperbolisch metamateriaal dat de meeste soorten licht in zijn structuur absorbeert.

Ze produceerden dit materiaal door zilveren nanodraadjes in een membraan van aluminiumoxide te laten groeien om een platte, lichtabsorberende ’tegel’ te maken. Dit metamateriaal absorbeert ongeveer tachtig procent van alle licht dat er op valt. Niet gek, maar nog steeds onvoldoende, dus.

Met een kleine aanpassing, bedachten ze, konden ze dit percentage drastisch opvoeren. Door het oppervlak te verruwen, zorgden ze er voor dat het licht meerdere keren intern weerkaatst, waarbij elke keer een hoog percentage wordt geabsorbeerd. De fotonen worden als het ware het materiaal “ingezogen”. Ze ontwikkelden zo een substantie dit tot 99% van het licht absorbeerde.

Heel wat beter dan zwarte verf, dus. Volgens Narimanov en zijn teamgenoten hebben ze dus iets ontwikkeld dat “zwarter dan zwart” is. Als je dit principe op een zonnecel toepast, zou je de efficiëntie zeker met tien tot twintig procent kunnen vergroten.

De visuele effecten zijn uiteraard ook zeer spectaculair. Er lijkt een volledige schaduw in volle zonneschijn te zijn, alsof er een stuk uit het voorwerp is weggesneden. Waarschijnlijk worden vormgevers en modeontwerpers hier redelijk enthousiast van. Het is ook ideaal om te voorkomen dat strooilicht foto’s en dergelijke verpest.
Aangepast voor infrarode straling, in militaire uniformen, zou het een goed wapen tegen nachtkijkers zijn. En zo is er nog meer te bedenken. Wie weet nog meer toepassingen?

Bron:
Het lichtgevende textiel van Philips.

Lichtgevend behang kan tv-scherm zo groot als een kamer worden

2 reacties / Ideeën en techniek / Door / 14 juli 2011

In plaats van lampen, een complete muur die licht geeft? Tot voor kort was deze gedachte alleen al pure science fiction, maar Philips neemt in samenwerking met het bedrijf Kvadrat nu het eerste lichtgevende behang in productie. Nooit meer lampen die je in je gezicht schijnen.

Het lichtgevende textiel van Philips.
Het lichtgevende textiel van Philips.

OLEDs, een vorm van platte LEDs die dus licht geven over een heel oppervlak in plaats van één punt, bestaan al langer. Ze worden onder andere in de schermpjes van veel mobiele telefoons gebruikt. Ze zijn zuiniger dan LCD-schermen maar zeer lastig te maken, wat ze duur maakt. Philips ontwikkelde een vorm van lichtgevend textiel, wat gecombineerd wordt met de akoestische panelen van Kvadrat. De bedoeling is hiermee licht en geluid te combineren tot één multimedia-ervaring. Uiteraard is deze techniek ook te gebruiken voor kamerbreed display van een tv- of videobeeld.

Voorlopig wordt deze vinding geleverd voor openbare ruimten, maar op termijn zou dit wel eens heel goed op kunnen duiken in huiskamers. Als de tv uitstaat, overheerst het ding de woonkamer. Veel mensen zouden graag de televisie wegwensen als ze er nie naar keken. Wie weet is het binnenkort al zover en hebben we dan het grootste en platste tv-scherm denkbaar. Er zijn dan ook andere toepassingen denkbaar. Zo zou je je kamer snel kunnen veranderen in een oerwoud, een gezellig café of een buitenaards landschap. Een soort primitief holodeck dus.

Bron:
Physorg

Tijdlens maakt voorwerpen onzichtbaar

2 reacties / Wetenschap / Door / 14 juli 2011

Stel, je staat in een bank te wachten. Twee mannen met bivakmutsen op komen binnenrennen met een vreemd voorwerp. De mannen verdwijnen uit beeld. Dan, na een minuut zie je ze in een flits opduiken met tassen vol geld. Natuurkundigen is nu iets gelukt dat op het eerste gezicht uit een science fictionfilm komt: een gat in de tijd maken.

Onzichtbaarheidsmantels zijn het resultaat van de pasontdekte vaardigheid om elektromagnetische velden op extreme manieren te vervormen. Onzichtbaarheidmantels komen er in feite op neer om het licht rond een volume in de ruimte te sturen, zodat alles binnen dit volume onzichtbaar is. Dit effect heeft zeer veel interesse gewekt. Wie wil niet om elke reden dan ook af en toe onzichtbaar zijn of dingen aan het zicht onttrekken? De eerste onzichtbaarheidsmantels werkten alleen voor microgolven – deze zijn zo groot dat het niet moeilijk is metamaterialen te maken die microgolven om een voorwerp heen te buigen. In slechts enkele jaren zijn natuurkundigen er in geslaagd om sluiers te ontwikkelen die voorwerpen voor geluid, licht en ok golven op de oceaan onzichtbaar maken. Of, nog opmerkelijker, illusoire mantels die een voorwerp op een ander voorwerp kan laten lijken.

Moti Fridman en zijn vollega’s van Cornell University in het Amerikaanse plaatsje Ithaca, hebben nu een onzichtbaarheidsmantel ontworpen die gebeurtenissen in de tijd verbergt. Tijd-cloaking is mogelijk omdat er een bepaalde wiskundige overeenkomst (dualiteit) bestaat tussen ruimte en tijd in de elektromagnetische theorie van Maxwell. De diffractie van een lichtbundel in de ruimte (i.e. het om een obstakel heen buigen van lichtgolven) is wiskundig gezien equivalent aan aan de propagatie van licht in de tijd door een dispersief medium (een medium waarin verschillende kleuren, oftewel golflengtes, verschillende snelheden hebben). Met andere woorden: diffractie en dispersie zijn symmetrisch in ruimtetijd.

Wat tot een interessant idee leidt. Net als het mogelijk is een lens te maken die met behulp van diffractie licht bundelt, is het ook mogelijk dispersie te gebruiken om een lens te maken die licht bundelt… op een gegeven tijdstip. “Een dergelijke tijdlens kan, bijvoorbeeld, gebeurtenissen uitrekken of samenpersen in de tijd,” aldus Fridman en co. Van dit effect is gebruik te maken om een tijds-onzichtbaarheidsmantel te construeren. De truc: plaats twee tijdlenzen achter elkaar en stuur er een bundel licht doorheen. De eerste lens comprimeert het licht in de tijd terwijl de tweede het decomprimeert. Zie de afbeelding. Dit laat echter een causaal gat vallen. Voor een korte periode is er namelijk een gat in de tijd, waarin gebeurtenissen die plaatsvinden niet worden waargenomen. Voor een waarnemer lijkt het licht dat uit de tweede tijdlens komt niet vervormd, met andere woorden het lijkt alsof er niets gebeurd is.

Helaas – of gelukkig – zijn er nog de nodige beperkingen aan deze tijdverhulling. De tijdscloak van Cornell is alleen in staat voor 110 miljardste seconden gebeurtenissen te verhullen. Volgens Fridman en de zijnen is het beste wat ze kunnen bereiken 120 miljoenste seconden. Nog geen milliseconde dus. Voorlopig hoeven bankiers zich dus nog geen zorgen te maken. Maar zou het hierbij blijven?

Bronnen
1. Fridman et al., Demonstration Of Temporal Cloaking, arxiv.org
2. First Demonstration Of Time Cloaking, MIT Technology Review ArXiv blog

Licht opslaan in een batterij is theoretisch mogelijk. Als je spiegels maar goed genoeg zijn.

De lichtbatterij (1)

1 reactie / Ideeën en techniek / Door / 17 mei 2011

Zou het mogelijk zijn om energie op te slaan in eindeloos heen en weer kaatsend licht? In principe wel, als je spiegels maar goed genoeg zijn…

Batterijen hopeloos inefficiënt
De batterijen die we kennen hebben allen een belangrijk nadeel. De energiedichtheid is niet om over naar huis te schrijven. Eigenlijk is alleen antimaterie als energieopslagmiddel voldoende efficiënt. De totale massa van antimaterie kan (met een even grote hoeveelheid materie) volledig in de dubbele hoeveelheid energie omgezet worden. Dat betekent per gram antimaterie de hoeveelheid energie van de Hiroshima-bom. Hiermee vergeleken vallen de bestaande batterijen volkomen in het niet. In een (op dit moment in ontwikkeling zijnde) lithium-ion batterij van een kilo kan bijvoorbeeld maximaal twee kilowattuur worden opgeslagen (1). Dat is een lachertje vergeleken met de energie die vrijkomt als een kilogram massa geheel in energie wordt omgezet: 25 miljard kilowattuur. Het vervelende van antimaterie is dat het uiterst explosief spul en onhandelbaar spul is. Het moet worden opgesloten in een magnetisch veld. Ook heb je een zware versneller nodig om het te maken en zelfs dan met uiterst laag rendement. Niet erg praktisch dus.

Opslaan van licht
Een oplossing is om de energie als licht op te slaan. Fotonen zijn massaloze deeltjes die uit pure elektromagnetische energie bestaan. Als het mogelijk zou zijn om een kilogram-equivalent fotonen ergens op te slaan, zou je met die ene kilogram licht, heel Nederland bijna een half jaar van stroom kunnen voorzien. Kortom: een ideale batterij. Er zijn alleen een aantal lastige technische problemen.

Vacuüm en volmaakte spiegel nodig

Licht opslaan in een batterij is theoretisch mogelijk. Als je spiegels maar goed genoeg zijn.
Licht opslaan in een batterij is theoretisch mogelijk. Als je spiegels maar goed genoeg zijn.

Fotonen bewegen per definitie met de lichtsnelheid. Weliswaar kan je licht vertragen in een medium als glas, maar dan praat je niet meer over licht maar over fononen, trillingsquanta die langzamerhand geabsorbeerd worden. Zelfs in de allerbeste glasvezelkabel bedraagt het verlies bij de optimale golflengte 50% per duizend kilometer. Ook gaat een materiaal bij hoge energiedichtheden smelten. Conclusie: alleen totaal vacuüm komt dus in aanmerking.

Verder zal het licht opgesloten moeten worden in een beperkte ruimte. Dit kan bijvoorbeeld door middel van spiegels. In een reflecterende schoenendoos zal licht ongeveer een miljard keer per seconde weerkaatsen. De allerbeste spiegels, diëlektrische spiegels doe voor lasers worden gebruikt, absorberen ongeveer een honderdduizendste deel van het licht(2), dus na een duizendste seconde is al meer dan de helft van je licht weggelekt. Wil je het licht een dag opsluiten, dan moeten de spiegels een miljard maal beter worden.

Een andere oplossing is totale externe reflectie. Als licht onder een zeer vlakke hoek weerkaatst, reflecteert het vrijwel volmaakt. Dit effect merk je op een zonnige dag, waarbij zelfs de minieme reflectie van de hete luchtlaag boven de weg, al voldoende is om het spiegeleffect op te wekken. Daarvan kan je ook gebruik maken om licht eindeloos te laten weerkaatsen. Stel, je plaatst die diëlektrische spiegels in een ring en maakt ze extreem glad, dan kan je de reflectiviteit extreem veel opvoeren. Vermoedelijk wordt het dan haalbaar om licht er in op te sluiten.

Bronnen
1. Battery Booster, Chemical and Engineering News
2. Hecht, H. Optics, fourth edition, Pearson Education, ISBN 0-321-18878-0

Zonnekokers maken gebruik van geconcentreerd zonlicht. Mogelijk gaan we concentrators nog veel meer zien nu onderzoekers een manier hebben ontdekt om met glas zonlicht rechtstreeks in stroom om te zetten.

Zonlicht omgezet in elektriciteit zonder zonnecel

3 reacties / Wereld, Wetenschap / Door / 15 april 2011

In een baanbrekende ontdekking zijn onderzoekers van de universiteit van Michigan er in geslaagd om een proces te ontwikkelen om zonlicht in elektriciteit om te zetten zonder gebruik te hoeven mken van halfgeleiders. In principe is zelfs een materiaal als vensterglas voldoende.

Zonnekokers maken gebruik van geconcentreerd zonlicht. Mogelijk gaan we concentrators nog veel meer zien nu onderzoekers een manier hebben ontdekt om met glas zonlicht rechtstreeks in stroom om te zetten.
Zonnekokers maken gebruik van geconcentreerd zonlicht. Mogelijk gaan we concentrators nog veel meer zien nu onderzoekers een manier hebben ontdekt om met glas zonlicht rechtstreeks in stroom om te zetten.

Halfgeleiders niet meer nodig
Bestaande zonnecellen werken door middel van halfgeleiders. Een elektron absorbeert een foton en gebruikt de energie in het lichtgolfpakketje om over een barrière heen te springen Door het elektron weer terug te laten vloeien wordt stroom opgewekt. Helaas is dit proces niet erg efficiënt (de maximale opbrengst bij één laag ligt rond de 31%) en zijn halfgeleiders erg kostbaar.
Onderzoekers van de universiteit van Michigan beweren nu een fundamenteel nieuw principe te hebben gevonden om stroom uit zonlicht te halen. Hierbij maken ze gebruik van het feit dat licht bestaat uit een elektrisch en een magnetisch veld die elkaar voortdurend afwisselen. In de bestaande toepassingen wordt gebruik gemaakt van het elektrische veld. De onderzoekers ontdekten echter dat in een isolator (een materiaal dat geen stroom geleidt, zoals vensterglas), het magnetische effect honderd miljoen maal sterker is dan tot dusver gedacht. Zo sterk zelfs dat het vergelijkbaar is met het elektrische effect.
Saillant detail: dit effect is voor meer dan een eeuw over het hoofd gezien. En dat opent mogelijkheden.

Magnetisch effect wekt cumulatieve spanning op
Door de magnetische effecten krijgen de elektronen een C-vorm, waardoor een dipool (gesplitste positieve en negatieve lading) ontstaat. De C’s verschuiven langzaam. Wanneer voldoende van deze C’s achter elkaar komen te staan, worden de zwakke voltages bij elkaar opgeteld en kan de ontstane spanning af worden getapt. Er zijn nog wel enkele technische problemen. Zo vereist standaard glas een lichtintensiteit van tien miljoen watt per vierkante centimeter om dit effect op te wekken. Ter vergelijking: midden op de dag aan de rand van de atmosfeer is de zonne-intensiteit 0,14 watt per vierkante centimeter, bijna honderd miljoen zo weinig dus. Bij zeer hoge intensiteiten krijg je in optische materialen veranderingen in brekingsindex, wat leidt tot focusing en mogelijk smelting van het transparante medium, maar mogelijk hebben de onderzoekers hier toch rekening mee gehouden.

De onderzoekers denken het lichtintensiteit-probleem op te kunnen lossen door een ander materiaal te kiezen waarbij de minimum intensiteit dichter in de buurt komt van die van zonlicht. Een groot deel van de energiekloof is te overbruggen door zonlicht te concentreren. Op dit moment wordt in het experiment ongeveer 1% van laserlicht in elektriciteit omgezet. De onderzoekers verwachten dat met andere materialen de efficiëntie op kan lopen tot tien procent, de efficiëntie van goedkope zonnepanelen. Het grote voordeel van dit principe is dat geen verfijnde technologie nodig is, maar dat met goedkope bulkmaterialen kan worden gewerkt. Dit zou, als de onderzoekers inderdaad slagen in het vinden van goedkope materialen met verbeterde opto-magnetische eigenschappen, wel eens de doorbraak kunnen zijn waarop zonne-energie enthousiasten al die jaren hebben gehoopt. Eindelijk een einde aan smerige olie, stinkende kolencentrales en levensgevaarlijke kernenergie?

Bronnen
Zaplog
Science Daily
University of Michigan
Journal of Applied Physics

De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens op een listige wijze zo geconcentreerd dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.

Nanomicroscoop met licht

4 reacties / Wetenschap / Door / 22 maart 2011

De elektronenmicroscoop krijgt er een stevige concurrent bij. Opticus Allard Mosk van de Universiteit Twente heeft een techniek ontwikkeld om met een goedkope omgebouwde lichtmicroscoop details tot minder dan honderd nanometer, enkele honderden atomen breed, te ontwaren. Komt goedkope laboratoriumapparatuur voor de Derde Wereld dichterbij?

Duivels dilemma
Zichtbaar licht heeft golflengtes van vierhonderd tot zevenhonderd nanometer. Dat betekent dat hoe we ook ons best doen, we hiermee geen details kleiner dan vierhonderd nanometer kunnen zien. Licht buigt domweg om kleinere voorwerpen heen. Daarom moeten voor kleinere afmetingen andere dingen dan zichtbaar licht worden gebruikt. De nieuwste chips worden bijvoorbeeld gebakken met behulp van ultraviolette straling of zelfs röntgenstraling met een golflengte van enkele tientallen nanometers. Elektronen bieden een nog scherpere resolutie. Kwantummechanisch gezien hoort bij elk deeltje (zoals een elektron) een golf. Hoe zwaarder of energierijker het deeltje, hoe korter de golf. Bij elektronen praten we dan over groottes kleiner dan een nanometer. Helaas zijn elektronenmicroscopen peperdure en nogal logge apparaten, hoewel er tegenwoordig  modellen zijn die op een bureautafel geplaatst kunnen worden. Ook zijn zowel röntgenstraling als elektronen nogal destructief. Levende organismen zijn hierdoor out of the question. Vervelend, want juist deze herbergen nog veel raadsels op nanoschaal.

De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens op een listige wijze zo geconcentreerd dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.
De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens met de lichtmodulator zo geconcentreerd, dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.

Kijken op nanoschaal
Met de ontdekking door opticus Allard Mosk van de universiteit Twente lijkt hieraan een einde gekomen te zijn. Het blijkt namelijk dat door het oppervlak van de lens op een bijzondere manier te etsen, met de golf veel kleinere details waar zijn te nemen dan volgens de klassieke optica mogelijk is. Mosk slaagde er in om met laserlicht van 561 nm golflengte details van 97 nm zichtbaar te maken, bijna zes keer kleiner dan optisch mogelijk dus. Het systeem werkt door gebruik te maken van verstrooiing. Laserlicht bestaat uit licht dat exact in fase is. Kleine verstoringen, ook obstakels van enkele nanometers groot, verstoren dit en leiden tot diffractiepatronen.

Bouw van de nanomicroscoop
Mosk maakt gebruik van een systeem in twee stappen. In de eerste fase wordt laserlicht door een lens met een onregelmatig, oneffen oppervlak verstrooid. Dit licht vormt een oneffen diffractiepatroon dat wordt uitvergroot, door een lichtgevoelige CCD-chip wordt opgevangen en teruggerekend naar de vorm van de oorspronkelijke bundel. Nu het diffractiepatroon exact bekend is, kan aan de hand daarvan worden berekend hoe de ruimtelijke lichtmodulator moet worden aangepast om de lichtbundel zich te laten concentreren in een brandpunt. De microscoop is vanaf dan klaar voor gebruik.

Gebruik zonder al te veel bewegende onderdelen
Als een object in het brandpunt geplaatst. Van dit object kunnen hierdoor details ruim onder de honderd nanometer worden waargenomen. Door de objecten punt voor punt te scannen krijgt een microscopist een driedimensionaal beeld van het object met een zeer hoge resolutie. Door de lichtmodulator aan te passen kan het brandpunt namelijk worden verschoven. Mosk en de zijnen verwachten met deze proefopstelling de brandpuntsgrootte te kunnen laten dalen tot 72 nm.

Toepassingen
Deze techniek is erg goedkoop en zeer breed toe te passen. Niet alleen zal het kunnen leiden tot een kleine revolutie op microbiologisch terrein, ook is de techniek uitstekend te gebruiken voor het etsen van nanostructuren. Voor massafabricage is de techniek weliswaar minder geschikt, maar er kunnen natuurlijk wel zeer nauwkeurige mallen op nanoschaal mee kunnen worden uitgeëtst. Wordt gekozen voor ver-ultraviolet met golflengtes tot tien nanometer, dan kan de resolutie (afhankelijk van wat de minimale golflengte is die nog volledig verstrooid kan worden door een UV-equivalent van een ruwe grenslaag) zelfs nog veel meer omhoog. Kortom: deze doorbraak brengt de nanowereld veel dichterbij, op den duur zelfs voor de gewone man en vrouw.

Bronnen
Universiteit Twente
Arxiv
Arxiv Blog

De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.

Echte tractorbeam mogelijk

1 reactie / Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 28 februari 2011

Een tweetal onderzoekers bedachten een manier om met een laserstraal voorwerpen naar zich toe te trekken. En, anders dan de holle-laserstraal methode, deze methode werkt ook in het luchtledig. Wordt de trekstraal, de tractor beam uit Star Trek, dan nu echt realiteit?

Star Trek-fans kennen de tractor beam: een onmisbare accessoire van de Enterprise waarmee allerlei objecten naar het schip toegesleept kunnen worden. Een trekstraal leek tot voor kort pure science-fiction. Immers: alle elektromagnetische straling kent een moment (voor de liefhebbers: Poyntingvector) in de bewegingsrichting van de laserstraal. Met andere woorden: met een laserstraal duw je voorwerpen van je af. Wellicht ken je van de middelbare school nog het lichtmolentje: zonlicht laat een zeer licht molentje in een luchtledige stolp draaien omdat de fotonen tegen het molentje weerkaatsen.

Holle tractor beam werkt alleen in een gas
In de herfst van 2010 ontwikkelden een aantal Australiërs een methode om met een holle laserstraal kleine voorwerpen naar zich toe te trekken. De methode werkt alleen in een gas zoals  lucht: het hete deel waar de laser schijnt kaatst alles weg. waardoor het voorwerp in de holle bundel blijft. Voorwerpen tot honderd keer zo zwaar als een bacterie kunnen zo verplaatst worden. Aardig, maar in het interstellaire luchtledig helpt dit natuurlijk niet erg om een oorlogsschip met agressieve aliens te enteren.

Trekstraal in vacuüm
In China, waar ook veel Star Trek fans rondlopen, hebben Jun Chen en zijn collega’s daar nu wat slimmers op gevonden, althans in theorie. Het principe werkt alleen als de laserstraal in kwestie nauwelijks tegen het deeltje aanduwt.

De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.
De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.

Als de laserbundel het voorwerp zijdelings raakt, worden dipolen op het grensvlak van het voorwerp geraakt. Als er door deze dipolen meer straling wordt verstrooid van de laserbron af gericht dan er naar toegericht, wordt het voorwerp per saldo naar de laser toegetrokken. Dit kan alleen bij bepaalde typen bundels. Het effect is heel zwak en werkt alleen als er geen gradiënt is, d.w.z. als de laserstraal niet samenkomt of zich verspreidt in het gebied waar het voorwerp zich bevindt. Ook is het bij zeer kleine deeltjes uiteraard lastig de straal precies de rand te laten raken.

Op weg naar de trekstraal
Chen denkt dat deze trekstraal erg geschikt is om nanodeeltjes mee te manipuleren. Voor stukjes antimaterie, die ontploft als deze in aanraking komt met normale materie is deze techniek uiteraard ideaal. Om een Klingon warbird of andere akelige aliens mee aan te pakken is deze trekstraal veel te zwak. Sorry, Star Trek-bedenker Gene Roddenberry. Wat dat betreft zullen we nog moeten wachten op iets als Star Treks mythische gravitonmanipulator – al lijkt het er steeds meer op dat gravitonen helemaal niet bestaan.

Waarschijnlijk bestaan er nog andere, interessanter methodes om een trekstraalachtig ding te bouwen. Zo is het vacuüm helemaal niet zo leeg als het lijkt. Zou je bijvoorbeeld de Casimir-kracht op een exotische wijze kunnen manipuleren, dan lacht Roddenberry misschien nog wel het laatst…