Met het felste laserlicht ooit hebben wetenschappers ontdekt dat elektronen heel ander gedrag kunnen vertonen.

Een aantal maanden terug introduceerden we Synlight: een kunstmatige zon gemaakt van 149 xenonlampen. Deze lichtbron zou 10.000 keer sterker zijn dan het zonlicht dat onze aarde bereikt. Maar wetenschappers van de University of Nebraksa-Lincoln gaan graag nog een stapje verder. Zij creëerden een laserstraal die een miljard keer zo helder is als het oppervlak van de zon. En daarmee deden ze een paar interessante ontdekkingen.

DIOCLES laser

Normaal gesproken wanneer licht (een stroom fotonen) afkomstig van de zon of een lamp het oppervlak van een voorwerp raakt, zorgen de elektronen in dat object ervoor dat het licht zich verspreidt. Onze ogen vangen dit op waardoor we het object kunnen zien. Maar een feller licht zorgt er niet voor dat wij het object ook helderder zien.

Maar met de DIOCLES-laser – de sterkste laser van Amerika – werkt dat allemaal net even anders. Het onderzoeksteam vuurde de lichtbundel op elektronen en mat toen hoe de geraakte elektronen fotonen verstrooiden. Elektronen staan erom bekend per keer te kunnen botsen met maar één foton, maar in dit experiment botsten ze met honderden fotonen tegelijkertijd.

Vreemd gedrag

Hieruit blijkt dat fotonen en elektronen zich heel anders gedragen onder deze extreme omstandigheden dan ze normaliter doen. Normaal gesproken verandert de helderheid van een lichtbron niet de energie van een foton of de hoek van weerkaatsing. Dat kan ook niet, want dan zou een object er anders uitzien bij daglicht dan bij schemering.

Maar dat is niet wat de onderzoekers zagen. Zij ontdekten dat bij extreem fel licht – afkomstig van de laser – het licht terugkaatste in een andere hoek, vorm en golflengte. En dat heeft dus invloed op hoe het object wordt waargenomen. De onderzoekers denken dat dit komt doordat het elektron niet op en neer beweegt, zoals het normaliter doet, maar een achtvormige baan beschrijft.

De afbeelding laat zien hoe de beweging van een elektron de lichtverstrooiing beïnvloedt. © Donald Umstadter and Wenchao Yan

X-ray

Overigens trad er nog een bijzonder effect op. Wanneer een foton en een elektron botsen, komt er een nieuw foton vrij. Alleen botsten er in dit experiment honderden fotonen op één elektron, waardoor het nieuwe vrijgekomen foton de energie opneemt van al die andere fotonen uit de laserstraal. Hierdoor krijgt het foton extreem veel energie en de golflengte van röntgenstraling.

Deze superlaser heeft daarom mogelijke toepassingen in röntgenstraling-technologie, want hij behaalt een hogere resolutie maar zendt veel minder straling uit. Alleen voor het zo ver is, zijn we heel wat jaren verder.

Bronnen: University of Nebraska-Lincoln, Nature Photonics, New Atlas, De Ingenieur

Beeld: University Communication/University of Nebraska-Lincoln