Fractale patronen komen veel voor in de natuur, inclusief in de geometrische patronen van een schildpad, de structuur van een slakkenhuis, de bladeren van een vetplant die zich herhalen om een ​​ingewikkeld patroon te creëren, en het vorstpatroon op de voorruit van een auto in de winter.

Fractals hebben het onderscheidende kenmerk van een herhalende geometrie met structuur op meerdere schalen, en zijn overal te vinden, van Romanesco-broccoli tot varens, en zelfs op grotere schaal zoals zoutpannen, bergen, kustlijnen en wolken. De vormen van bomen en bergen lijken ook op elkaar, zodat een tak eruitziet als een kleine boom en een rotspunt als een kleine berg.

De afgelopen twee decennia heeft wetenschappers hebben voorspeld dat fractaal licht kan worden gecreëerd met een laser. Met zijn hoogglans gepolijste sferische spiegels, een laser is bijna het tegenovergestelde van de natuur, en dus kwam het als een verrassing toen, in 1998, onderzoekers voorspelden fractale lichtstralen die werden uitgezonden door een klasse lasers. Nutsvoorzieningen, een team uit Zuid-Afrika en Schotland heeft aangetoond dat fractaal licht kan worden gemaakt met een laser, het verifiëren van de voorspelling van twee decennia.

Rapportage deze maand in Fysieke beoordeling A , het team levert het eerste experimentele bewijs voor fractaal licht van eenvoudige lasers en voegt een nieuwe voorspelling toe:dat het fractale patroon in 3D zou moeten bestaan ​​en niet alleen in 2D, zoals eerder gedacht.

De natuur creëert zulke "patronen binnen patronen" door vele herhalingen van een eenvoudige regel, bijvoorbeeld, om een ​​sneeuwvlok te maken. Computerprogramma's maken ook fractals door de regel herhaaldelijk te doorlopen, beroemde productie van de abstracte Mandelbrot-set.

Het licht in lasers gaat ook heen en weer, stuiteren tussen de spiegels bij elke pass, die kan worden ingesteld om het licht bij elke rondreis in zichzelf af te beelden. Dit ziet eruit als een recursieve lus, een eenvoudige regel keer op keer herhalen. De beeldvorming houdt in dat elke keer dat het licht terugkeert naar het beeldvlak, het is een kleinere (of grotere) versie van wat het was:een patroon binnen een patroon binnen een patroon.

Fractals hebben toepassingen in beeldvorming, netwerken, antennes en zelfs medicijnen. Het team verwacht dat de ontdekking van fractale vormen van licht die direct uit een laser kunnen worden geconstrueerd, nieuwe toepassingen en technologieën zal openen op basis van deze exotische toestanden van gestructureerd licht.

"Fractals zijn een werkelijk fascinerend fenomeen dat verband houdt met wat bekend staat als chaos, " zegt professor Andrew Forbes van de Universiteit van de Witwatersrand, die het project leidde samen met professor Johannes Courtial van de Universiteit van Glasgow. "In de populair-wetenschappelijke wereld, chaos staat bekend als het 'vlindereffect', ' waar een kleine verandering op de ene plaats een grote verandering ergens anders veroorzaakt, bijvoorbeeld, een vlinder die in Azië met zijn vleugels slaat, veroorzaakt een orkaan in de VS. Dit is bewezen waar te zijn."

Bij het verklaren van de ontdekking van fractal licht, Forbes legt uit dat zijn team besefte hoe belangrijk het is om fractals in een laser te zoeken. "Kijk naar de verkeerde plaats in de laser en je ziet slechts een uitgesmeerde lichtvlek. Kijk op de juiste plaats, waar de beeldvorming plaatsvindt, en je ziet fractals."

Het project combineerde theoretische expertise van het Glasgow-team met experimentele validatie in Zuid-Afrika door Wits- en CSIR-onderzoekers (Council for Scientific and Insdustrial Research). De eerste versie van het experiment werd gebouwd door Dr. Darryl Naidoo (van de CSIR en Wits) en voltooid door Hend Sroor (Wits) als onderdeel van haar Ph.D.

"Wat verbazingwekkend is, is dat als voorspeld, de enige vereiste om het effect aan te tonen is een eenvoudige laser met twee gepolijste sferische spiegels. Het was er de hele tijd, alleen moeilijk te zien als je niet op de juiste plek kijkt, ’, zegt de rechtbank.