Wat is licht? Het klinkt als een simpele vraag, maar het is er een die enkele van de beste wetenschappelijke geesten eeuwenlang heeft beziggehouden.

Nutsvoorzieningen, een gezamenlijke studie met wetenschappers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) heeft een nieuwe draai aan het verhaal gegeven, een abstracte theorie over de kwantumeigenschappen van magneten omzetten in een toetsbare hypothese over een nieuw soort licht.

Sinds Isaac Newton in 1672 licht door prisma's brak, wetenschappers zijn verdeeld over de vraag of licht uit deeltjes of golven bestaat. Licht lijkt in rechte lijnen te reizen, zoals van een deeltje zou worden verwacht, maar de experimenten van Newton hebben aangetoond dat het ook frequentie en golflengte heeft, zoals geluidsgolven.

Bijna 200 jaar later, de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell leverde een deel van het antwoord, toen hij zich realiseerde dat licht bestaat uit fluctuerende elektrische en magnetische velden. Het was pas in de 20e eeuw door het werk van Einstein, dat uiteindelijk werd begrepen dat licht bestaat uit fundamentele deeltjes die fotonen worden genoemd, die zich gedragen als zowel deeltjes als golven.

Deze ontdekking hielp de nieuwe wetenschap van de kwantummechanica te inspireren, die het gedrag van materie en energie op atomair en subatomair niveau beschrijft.

Recenter, aan het eind van de 20e eeuw, natuurkundigen begonnen met het verkennen van een fenomeen genaamd emergentie. Net zoals het gedrag van grote groepen mensen kan verschillen van dat van een enkel lid van de groep, opkomst beschrijft hoe deeltjes in grote groepen zich op onverwachte manieren kunnen gedragen, nieuwe natuurwetten onthullen of oude in een nieuwe context plaatsen. Een vraag die werd gesteld was:'Zou er zoiets als opkomend licht kunnen bestaan?'

Dit brengt ons bij OIST-professor Nic Shannon, Han Yan, een doctoraat student in zijn Theory of Quantum Matter Unit, en hun collega's in Zwitserland en in de VS. Hun recente werk concentreert zich op een vreemde familie van magnetische systemen die bekend staat als spin-ijs, die ontsnappen aan alle conventionele vormen van magnetische orde en in plaats daarvan een venster openen op de kwantumwereld.

In conventionele magneten zoals die op uw koelkast, magnetische atomen produceren een klein magnetisch veld en werken samen om de veel grotere magnetische velden te genereren waardoor ze aan metalen voorwerpen kunnen "kleven". Dit is mogelijk omdat de kleine magnetische velden die bij elk verschillend atoom in de magneet horen, zichzelf zo ordenen dat ze in dezelfde richting wijzen.

In spin-ijs, echter, atomen ordenen niet magnetisch, maar werken nog steeds samen om een ​​magnetisch veld te produceren dat op atomaire schaal fluctueert.

Onlangs, onderzoekers realiseerden zich dat kwantumeffecten bij lage temperaturen een opkomend elektrisch veld in spin-ijs kunnen introduceren, met een verbazingwekkend gevolg:opkomende elektrische en magnetische velden worden gecombineerd om magnetische excitaties te produceren die zich precies als fotonen van licht gedragen.

"Het gedraagt ​​zich als licht, maar je kunt het niet zien met je ogen, " zei Prof Shannon "Stel je voor dat het kristal van spin-ijs een klein universum is met zijn eigen natuurwetten, en je kijkt van buiten naar binnen. Hoe kun je erachter komen wat er binnen gebeurt.

In 2012 Prof. Shannon en zijn toenmalige Ph.D. student Owen Benton stelde een manier voor om het licht in een kwantumspin-ijs te detecteren door neutronen van de magnetische atomen in het kristal te laten stuiteren. Ze voorspelden een karakteristieke signatuur in hoe het kristal de energie van de neutronen absorbeert, die de aanwezigheid van de opkomende elektrodynamica van een kwantumspin-ijs signaleert.

Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd in Natuurfysica , de auteurs melden dat ze deze signatuur hebben waargenomen in een materiaal genaamd praseodymium hafnate (Pr2Hf2O7).

Het vinden van de handtekeningen van opkomend licht in een echt materiaal bleek een hele uitdaging, omdat er gewerkt moest worden bij temperaturen zo laag als 50 millikelvin - minder dan een tiende van een graad boven het absolute nulpunt - met kristallen die vrij waren van vuil en onvolkomenheden.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Romain Sibille van het Paul Scherrer Institut (PSI) in Zwitserland, in samenwerking met collega's van de University of Warwick in het VK, slaagden erin een perfect kristal van een kwantumspin-ijsmateriaal te genereren waarmee ze eindelijk de hypothese konden testen.

"Het is erg mooi, als een kostbare steen, " zei prof Shannon, "en het is verbazingwekkend om te denken dat het allemaal één groot kristal is zonder onvolkomenheden."

Sibille nam dit kristal mee naar het Europese Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankrijk, evenals het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee, VS, om de speciaal ontwikkelde neutronenspectrometers van deze faciliteiten te gebruiken.

In een uiterst uitdagend experiment, Sibille's team gebruikte een reeks van 960 superspiegels bedekt met ijzer, kobalt, en vanadiumlegeringen die selectief verschillende soorten neutronen kunnen reflecteren - iets dat zijn thuisinstelling PSI heeft ontwikkeld, en gebruikten het HYSPEC-instrument (ORNL) om een ​​3D-analyse van hun reflectiepatronen te verkrijgen.

In combinatie met een grondige mapping van de verstrooide neutronen met behulp van het IN5-instrument (ILL), hierdoor konden ze de polarisatie van de verstrooide deeltjes meten en de energiesignaturen die die deeltjes produceerden in kaart brengen."

De theorie van Dr. Benton en Prof. Shannon vertoonde een griezelige gelijkenis met de experimentele energiekaarten. De grafische weergave van neutronenreflectie vertoonde zogenaamde knijppunten, die karakteristieke kenmerken zijn van een kwantumspin-ijs. Toen het spinijs bij lage temperaturen werd gescand, de knelpunten verdwenen op een manier die sterk suggereerde opkomend licht.

Yan werkte aan de theorie en analyseerde de experimentele gegevens om de snelheid van het opkomende licht te bepalen - een bescheiden 3,6 m per seconde, ongeveer net zo snel als iemand die een marathon in vier uur loopt. De fotonen van normaal licht - het soort waar je onder zou kunnen zonnebaden - zouden dezelfde afstand in minder dan een duizendste van een seconde kunnen afleggen.

"Ik vind het heel cool dat dit materiaal zich gedraagt ​​als een mini-universum met zijn eigen licht en geladen deeltjes", zegt Han.

"Momenteel, we weten geen enkele manier om deze resultaten te verklaren zonder een beroep te doen op de kwantummechanica, " zei prof Shannon, "dus het lijkt er echt op dat we opkomend licht hebben gezien."