In de optische natuurkunde gebeuren de laatste jaren gekke dingen. Zo kan licht worden stilgezet of zelfs in z'n achteruit worden gezet en zijn er materialen gemaakt die licht de ‘verkeerde’ kant op buigen, waardoor onzichtbaarheid binnen bereik komt. Nu is er weer iets nieuws: een truc die zorgt dat een waarnemer een ononderbroken lichtstraal ziet, terwijl daar in werkelijkheid een gat in is gemaakt dat een fractie van een seconde later weer is dichtgemaakt. Tijdens die onderbreking kan een gebeurtenis ongemerkt plaatsvinden.

De theorie van zo’n ‘temporal cloak’, zeg maar een onzichtbaarheidsmantel die van tijd is gemaakt, is eind 2010 verzonnen, toen de eerste ruimtelijke onzichtbaarheidsmantels waren gerealiseerd die licht om een object heen lieten stromen. Dit alternatieve mechanisme maakt geen objecten, maar gebeurtenissen onzichtbaar. Nu heeft een viertal onderzoekers van de New Yorkse Cornell University zo’n constructie daadwerkelijk gemaakt, rapporteren ze in Nature.

Begrafenisstoet

De crux van de technologie lijkt op wat er gebeurt als een flinke groep langzaamrijdende auto’s, laten we zeggen een begrafenisstoet, een spoorwegovergang tegenkomt. Ze rijden er ongehinderd overheen, tot de slagbomen dichtgaan. Achter de auto’s die al voorbij de overgang zijn en gewoon doorrijden, ontstaat een autoloze zone, omdat de rest moet wachten terwijl er een trein passeert. Maar zodra de bomen weer open gaan, rijden de achterblijvers weg met een hogere snelheid. Na een tijdje hebben ze het gat weer dichtgereden. Een waarnemer die een eind na de spoorwegovergang langs de weg staat, ziet de auto’s dus langskomen alsof er nooit een trein tussendoor is gereden.

Moti Fridman en collega’s hebben zoiets gedaan, maar dan met licht. Ze hebben een gat geknipt in een lichtstraal door een deel ervan te versnellen en het deel daar direct achter te vertragen, zodat er een gat ontstond. Iets verderop deden ze het omgekeerde, zodat het gat weer werd opgevuld. Het resultaat is een lichtstraal die ononderbroken lijkt voor een waarnemer waarop die straal gericht is.

Tijdlenzen

Licht versnellen en vertragen, hoe deden ze dat? Dat ging met zogenaamde tijdlenzen. Twee halve tijdlenzen aan iedere kant, om precies te zijn. Wat natuurlijk weer de vraag oproept wat een tijdlens dan is. Welnu, dat is een vreemd apparaatje. Een tijdlens is een chip die de kleur van een lichtstraal verandert – met andere woorden: hij wijzigt de golflengte van het licht. Hij doet dat van moment tot moment anders.

De tijdlens zorgde in dit experiment dat de golflengte van het licht eerst zo’n 30 biljoenste van een seconde steeds hoger werd, en daarna plotseling een stuk lager, waarna hij in nog 30 biljoenste van een seconde geleidelijk naar zijn oorspronkelijke golflengte terugkwam. Het veranderde licht werd vervolgens door een materiaal gestuurd waarin licht van verschillende kleuren met verschillende snelheden reist. Dat was precies zo op elkaar afgestemd, dat alle licht op twee hoopjes geschoven werd. Ertussen was even geen licht, 50 biljoenste van een seconde lang. Licht legt in die tijd ongeveer anderhalve centimeter af.

Een stukje verderop deden de onderzoekers precies het omgekeerde: ze haalden de lichthoopjes eerst weer uit elkaar door ze door materiaal te sturen dat de verschillende golflengten met verschillende snelheden doorliet - maar dan precies tegengesteld aan wat het eerste materiaal deed - en haalden het vervolgens door een tijdlens die alle golflengtes weer terugbracht naar de oude waarde, 1,544 nanometer in dit geval. Daardoor kwam de herstelde lichtstraal weer naar buiten alsof er nooit een gat in had gezeten.

Ultrakorte laserpulsjes

Om te demonstreren dat je in zo’n tijdgat inderdaad stiekem een gebeurtenis kunt laten plaatsvinden, bestookten ze het midden van hun constructie met ultrakorte laserpulsjes van 5 biljoenste van een seconde, die de lichtstraal steeds heel even verstoorde, wat te meten was. Stond hun ‘onzichtbaarheidsmantel’ aan, dan was die verstoring niet te zien. De laserpuls viel in het tijdgat en had dus niets te verstoren.

Heel interessant, maar wat is hier het nut van, denk je misschien. Een mens tijdelijk onzichtbaar maken zit er op deze schaal in ieder geval niet in. Fridman en zijn collega’s zien dan ook eerder toepassingen in de beveiliging van communicatie in optische elektronica in het verschiet. En het spelen met tijdlenzen zou ook kunnen helpen om nog meer datastromen tegelijk door glasvezels te persen. Maar dat hebben ze een paar jaar geleden al gedemonstreerd.