Wie zaait, zal oogsten

Inmiddels 3 jaar geleden begon ik voor mijn afstudeeronderzoek met het bouwen van een opstelling. Daarmee zouden we kunnen meten hoe glazen bolletjes samen met antennes licht opsluiten. Geduld is een schone zaak, want vandaag is eindelijk het eerste resultaat uit die opstelling – en daarmee ook mijn eerste wetenschappelijke paper – gepubliceerd!

11 november 2015

Trots als een aap
Dolblij waren we toen 3 weken geleden de mail binnenkwam: ‘Your manuscript has been accepted for publication’. Het tijdschrift was Physical Review Letters (PRL), een van de beste bladen voor natuurkundig onderzoek. Trots als een aap holde mijn collega en mede-begeleider Ewold, die de mail binnenkreeg, meteen bij ons langs om het goede nieuws te vertellen!

Klik hier voor het artikel zoals het in het tijdschrift staat. En hier voor de vrij toegankelijke versie.

Deus ex Machina
Ewold had goede reden om trots te zijn, want het is de eerste publicatie met metingen uit zijn eigen lab, dat hij twee jaar geleden mocht opzetten als groepsleider bij het AMOLF. Destijds begon ik, toen nog voor mijn afstudeeronderzoek, als zijn allereerste groepslid. Een leeg laboratorium opende zijn deuren en ik mocht, op een kraaknieuwe optische tafel, een zelf ontworpen meetopstelling gaan bouwen. Ik noemde hem de Deus ex Machina. Deze opstelling is het ook geweest waarin de metingen gedaan zijn voor het artikel dat vandaag verschijnt.

Het experiment uit de paper. We bekijken de microdonut met licht uit een glasvezelkabel, terwijl we de antennes in de buurt brengen om de donut te verstoren.
Hugo Doeleman

Tweede auteur
Niet alleen voor Ewold, maar ook voor mij is het een mijlpaal: mijn eerste wetenschappelijke publicatie! Weliswaar als tweede auteur, maar toch. Binnen mijn onderzoeksrichting, de nanofotonica, is het gebruikelijk dat de auteurs op volgorde van hun bijdrage op het artikel staan: de eerste auteur heeft het meest gedaan, de tweede iets minder, etc. Mijn collega Freek deed het leeuwendeel van het werk, dus hij is terecht eerste auteur.

Verstoring van de orde
In het artikel laten we zien dat een vertrouwd stokpaardje van menig natuurkundige soms leidt tot volledig verkeerde resultaten. Dat stokpaardje heet storingstheorie, en je kan het goed gebruiken om uit te rekenen wat er met een systeem gebeurt op het moment dat je een hele kleine verandering, ofwel verstoring, aanbrengt. Het is onder andere een belangrijk instrument bij het uitrekenen van de energieën van elektronen in een atoom.

Een steen in de rivier
Storingstheorie zegt dat het verstoorde systeem eigenlijk niet zo anders wordt, maar dat alleen de energie een beetje verandert. Ongeveer zoals wanneer je een steen in de rivier legt: de rivier treedt dan niet onmiddellijk buiten zijn oevers, maar de stroom moet net een beetje anders gaan lopen, waardoor hij misschien iets langzamer gaat stromen.

Wanneer je een steen in de rivier gooit, verandert er niet veel. Pas als je heel veel stenen neerlegt, zal de rivier bijvoorbeeld een hele andere loop nemen.
Pexels CC0

Stroomversnelling in een micro-donut
In de nanofotonica wordt de theorie vaak gebruikt om te voorspellen hoe licht dat bijvoorbeeld opgesloten zit tussen twee spiegels, beïnvloed wordt wanneer je een klein deeltje tussen die spiegels stopt. Voor ons artikel probeerden we het ook te gebruiken voor een soortgelijk nano-structuurtje, een micro-donut, waarin we licht konden opsluiten. Wanneer we die donut vervolgens verstoorden met een paar gouden nano-antennes, kregen we echter totaal andere resultaten dan wat door storingstheorie voorspeld werd! Waar we bijvoorbeeld verwachtten dat het licht korter gevangen zou blijven, werd het langer gevangen. Een beetje alsof de rivier sneller gaat stromen in plaats van langzamer, wanneer je er een paar stenen in gooit.

Zo ziet een microdonut er in het echt uit, onder een elektronenmicroscoop. De donut is van glas, en hij staat op een paaltje van silicium.
Hugo Doeleman

70 jaar oude oorlogstechnologie
Verward door dit vreemde resultaat zijn we gaan zoeken naar verklaringen in de literatuur. Zo vonden we uiteindelijk een formule uit de radio-technologie die in de jaren ’40 is opgesteld door twee Nobelprijswinnaars, Hans Bethe en Julian Schwinger. Destijds was er heel veel aandacht voor dat onderwerp, omdat het voor oorlogsschepen en vliegtuigen ontzettend nuttig was. Die formule laat zien dat, bij structuren die licht opsluiten, storingstheorie slechts een deel van het verhaal vertelt. Het andere deel wordt beschreven door de interferentie tussen licht dat van de verstoring afketst en licht dat zich al in het structuurtje bevond.

Een modern oorlogsschip zit vol met radars. Sinds deze werden uitgevonden, investeren legers over de hele wereld zwaar in onderzoek naar radio-technologie.
http://chrisfrailey.com/2013/09/mighty-mo-uss-missouri/

Onterecht verwaarloosd
Omdat deze tweede bijdrage door interferentie veel moeilijker te begrijpen en uit te rekenen is, heeft iedereen het tot nu toe maar verwaarloosd. Men dacht dus ook dat het eigenlijk niet zo belangrijk was en sowieso altijd kleiner dan het andere deel. Maar na een paar maanden rekenen kwamen wij er achter dat in ons systeem, interferentie niet zomaar belangrijk is, maar zelfs een sterkere bijdrage levert dan het deel van storingstheorie! Zo is die veelgebruikte aanname dat storingstheorie voldoende is, in een klap van tafel geveegd.

In één keer raak
Een prachtig en verrassend resultaat, vonden wij. Gelukkig vonden de reviewers, wetenschappers uit het vakgebied die het artikel beoordelen, dat ook: ze hebben het artikel in één keer, zonder correcties, goedgekeurd! Dat is heel uitzonderlijk, want normaal gesproken hebben ze altijd wel een paar punten van commentaar. Als auteur moet je dat commentaar verwerken, of beargumenteren waarom je het niet verwerkt, voordat je artikel goedgekeurd wordt. Zo vinden er meestal een paar rondes van commentaar over en weer plaats, wat wel maanden kan duren. Dat dit nu niet nodig bleek, is een groot compliment. Nu op naar het volgende artikel!

Reageer