Als je lichtdeeltjes tussen twee spiegels vangt, vormen ze een gas met bijzondere eigenschappen. Verrassend genoeg geeft het gas geen weerstand als je het samendrukt.

Hoe meer kracht je zet, hoe gemakkelijker het is om een gas van lichtdeeltjes in elkaar te drukken. Dat is anders dan bij gewone gassen. Die bijzondere eigenschap kan van pas komen bij het maken van gevoelige krachtsensoren.

Terwijl gassen normaal gesproken uit atomen of moleculen bestaan, is het ook mogelijk om een gas van lichtdeeltjes, ofwel fotonen, te maken. Dat doe je door ze met lasers in een ruimte te vangen. Een gas dat op deze manier gemaakt is, heeft geen gelijkmatig verdeelde dichtheid. Onderzoekers zeggen dan dat het niet puur of homogeen is. Dat maakt het moeilijk om het gas te bestuderen.

Overheden moeten de lessen van zero-covid in hun achterhoofd houden
LEES OOK
Overheden moeten de lessen van zero-covid in hun achterhoofd houden

Compressibiliteit

Natuurkundige Julian Schmitt heeft met zijn collega’s aan de Universiteit van Bonn nu voor het eerst een wél homogeen fotonengas gemaakt. Hij kreeg dat voor elkaar door fotonen tussen twee spiegels op nanoschaal te vangen.

De onderzoekers verplaatsten vervolgens een van de spiegels om de compressibiliteit van het gas te meten. Dat is de mate waarin het gas kan samenpersen. Ze maten ook andere basiseigenschappen van het gas.

‘Je kan het systeem zien als een luchtpomp, die niet met lucht maar met licht gevuld is’, zegt Schmitt. ‘We persen het samen en kijken hoe het reageert. Op deze manier kunnen we over de fundamentele eigenschappen leren.’

Sensoren

Verrassend genoeg gaf het gas geen weerstand toen de onderzoekers het samenpersten. Hoe meer kracht zij zetten, hoe gemakkelijker het gas was samen te drukken. Normale gassen zijn juist steeds moeilijker samen te persen, omdat de samengedrukte moleculen elkaar afstoten.

De ongebruikelijke eigenschap van het fotonengas is te verklaren met de quantummechanica. Die stelt dat licht zich niet alleen als deeltje gedraagt, maar ook als golf. ‘Deze fotonen gedragen zich als uitgesmeerde golven die op een gegeven moment beginnen te overlappen. Dan zijn de deeltjes onderling niet meer te onderscheiden van elkaar’, zegt Schmitt.

Naast het fundamentele onderzoek naar de eigenschappen van het spul, kan je het fotonengas ook gebruiken om zeer gevoelige sensoren voor krachtmetingen te maken, zegt Schimtt. ‘Je zou de kleinste krachten kunnen meten zodra ze een merkbare volumeverandering van het gas veroorzaken.’