Geluid gedraagt zich hetzelfde én tegelijk anders dan licht, op de allerkleinste schaal
NATUURKUNDE beeld: C. Huygelen
Een wereldberoemd lichtexperiment uit 1801, nu voor het eerst uitgevoerd met geluid. Het onderzoek van Leidse natuurkundigen leverde nieuwe kennis op, die onder andere toegepast kan worden in 5G-apparatuur en het onderzoeksgebied quantum-akoestiek.
Promovendus Thomas Steenbergen: ‘We zagen dat geluidsgolven in materialen zich hetzelfde, maar toch ook nét anders gedragen dan licht. Met een wiskundig model kunnen we dit bijzondere gedrag nu verklaren en voorspellen.’
Het wereldberoemde dubbel-spleetexperiment van Thomas Young uit 1801
Het beroemde dubbel-spleetexperiment bracht het eerste bewijs dat licht zich soms als een deeltje en soms als een golf gedraagt. Tijdens het experiment werd licht door twee smalle spleten gestuurd. Doordat achter de spleten lichtgolven elkaar versterken of juist uitdoven door interferentie, ontstond een patroon van heldere en donkere strepen (een zogenaamd interferentiepatroon).
Hetzelfde experiment werd later met deeltjes gedaan – en toonde aan dat alle deeltjes zich soms als een deeltje en soms als een golf gedragen. Het dubbel-spleetexperiment werd later uitgevoerd met allerlei quantumobjecten – van elektronen en neutronen tot buckyballs, moleculen van 60 koolstofatomen.
Nu met geluid in plaats van licht
Steenbergen en Löffler willen beter te begrijpen hoe geluid zich precies gedraagt op de allerkleinste schaal. Het dubbel-spleetexperiment geeft hier meer inzicht in. Steenbergen bouwde met zijn experiment voort op een onderzoeksproject van bachelorstudent natuurkunde Krystian Czerniak.
In het experiment gebruikten de onderzoekers gigahertz geluidsgolven die zich voortbewegen met een miljard trillingen per seconde. Een véél hoger geluid dan wat wij als mensen kunnen horen.
Het experiment
Het geluid werd in het experiment afgevuurd op een speciaal stukje materiaal: de halfgeleider Gallium Arsenide, ook vaak gebruikt in elektronische apparaten. Collega Matthijs Rog uit de onderzoeksgroep van Kaveh Lahabi freesde met een ionenbundel twee miniscule groeven in dit materiaal.
-
De opstelling van het experiment in het opticalab, met in het midden het halfgeleiderkristal met de dubbele spleten -
De gehele proefopstelling
Steenbergen: ‘We meten het geluid vervolgens met een extreem nauwkeurige optische scanner. Dit apparaat kan geluid letterlijk overal meten, ook voor en in de spleten. Zo meten we met een precisie van picometers (dat is één miljoenste van een micrometer) de hoogte van de geluidsgolven.’
Overeenkomsten én verschillen
Net als bij de dubbel-spleetexperimenten met licht ontstaat aan de achterkant een interferentiepatroon: je ziet duidelijk plekken waar het geluid versterkt wordt en waar het uitdooft.
Steenbergen: ‘Maar, als je goed kijkt, zie je ook dat het patroon niet geheel symmetrisch is. Geluidsgolven bewegen zich namelijk niet gelijk in alle richtingen. De snelheid van de geluidsgolven is afhankelijk van de hoek waarmee ze door het materiaal gaan.’ Met het ontwikkelen van een wiskundig model, wist het team deze verschillen te verklaren en ook goed te voorspellen.
Een eeuwenoud experiment opent nieuwe deuren
In de telecommunicatie, en vooral in 5G-apparatuur zoals mobiele telefoons, worden gigahertz-geluidsgolven veel gebruikt. Dit onderzoek levert nieuwe kennis op die toegepast kan worden in deze technologieën. Maar ook in andere micro-elektronische apparaten en sensoren die werken met geluid.
Ook levert het inzichten voor het nieuwe onderzoeksgebied van de quantum-akoestiek, waarin geluidsgolven op de allerkleinste (quantum)schaal gebruikt worden als dragers van informatie. Zo opent een eeuwenoud experiment weer nieuwe deuren.
De resultaten zijn gepresenteerd in Optics Letters.