Je leest:

Fotonen getemd

Fotonen getemd

Auteur: | 5 augustus 2004

Atomen zijn een ongeregeld zootje. Geef ze wat energie, en ze zenden dat na een pauze van onvoorspelbare lengte weer uit in een willekeurige richting. FOM-onderzoekers wisten orde te scheppen in de chaos.

Onderzoekers van de Complex Photonic Systems-groep en het MESA+ Research Instituut van de Universiteit Twente en van het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht combineerden fotonische kristallen en quantumdots om zo een materiaal te maken dat licht tijdelijk opslaat en dan in één richting weer doorstuurt. Daarover publiceren ze op 5 augustus in het tijdschrift Nature.

Het is kwantummechanica op zijn best: licht en atomen zó manipuleren dat ze zich ordelijk gedragen. De basiswetten van de kwantummechanica zorgen er normaal voor dat ‘aangeslagen’ atomen licht in een onvoorspelbare richting uitzenden, maar daar wisten de FOM-onderzoekers omheen te werken. Hun vondst kan uiteindelijk helpen lasers, LEDs en zonnecellen efficiënter te maken.

Atomen werken als kleine batterijtjes voor licht: als een foton (lichtdeeltje) met de juiste kleur op een atoom botst, wordt het daarin opgenomen. Het atoom heeft dan tijdelijk meer energie aan boord en is in een aangeslagen toestand. Dat duurt niet eeuwig: na een paar nanoseconden schopt het atoom het foton alweer naar buiten. Een nanoseconde is één miljardste seconde. De richting waarin het foton verder reist, en de tijd die het in het atoom zit, zijn niet exact te voorspellen. In de kwantummechanica is namelijk altijd een kanselement, maar aan die onzekerheid is te sleutelen. Slimme truuks kunnen de kans op een bepaalde uitkomst vergroten of juist verkleinen.

Een foton botst op een atoom en draagt zijn energie over aan een van de elektronen. Dat springt naar een hogere (energierijkere) baan. Bij het terugvallen naar de oude baan wordt weer een foton uitgezonden. De richting waarin dat gebeurt en hoe lang het elektron in de hogere baan blijft zijn van te voren niet te voorspellen. bron: Michael Ritter, The Physical Environment

Fotonisch kristal

De Amerikaanse natuurkundige Eli Yablonovitch liet al in 1987 zien hoe dat moet. Van één geïsoleerd atoom is dan wel niet te voorspellen waarheen en wanneer het een foton uitzendt, maar in de juiste omgeving krijgt het bepaalde voorkeuren. Yablanovitch berekende hoe licht beweegt in een serie laagjes van twee materialen met verschillende brekingsindices. De brekingsindex geeft aan, hoe snel licht in het materiaal kan bewegen. Hoe groter het verschil tussen de brekingsindices, hoe sterker het effect van het fotonische kristal.

Als de laagjes van de gesandwichte materialen in het kristal even dik zijn als de golflengte van het licht, wordt het interessant. Licht kan zich in zo’n kristal makkelijker bewegen in de ene richting dan in de andere. Is het verschil tussen de brekingsindices groot genoeg, dan zijn er zelfs ‘verboden’ richtingen waarin licht helemaal niet kan bewegen: een fotonisch kristal met zulke eigenschappen heeft een fotonische bandkloof. Een aangeslagen atoom in zo’n fotonisch kristal kan niet anders dan zijn foton in de ‘toegestane’ richtingen uitzenden.

Zichtbaar licht heeft een golflengte tussen de 400 en 700 nanometer – miljoenste meters. Dat is dus de dikte die de laagjes in het kristal moeten hebben. Ter vergelijking: atomen zijn tussen de 0,1 en 0,5 nanometer groot en een menselijke haar is tussen de 50.000 en 100.000 nanometer breed.

Fotonisch kristal. Dit kristal bestaat uit een woud van dunne naaldjes met daarin een open corridor. Licht kan niet doordringen in het naaldwoud en moet daarom de haakse bocht in de corridor volgen. bron: Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Omdat het gloeiend moeilijk is één atoom in een materiaal energie te voeren, namen de onderzoekers hun toevlucht tot quantum dots. Dat zijn piepkleine stukjes halfgeleider, die zich als reusachtige atomen gedragen: ook een quantum dot kan licht opnemen, opslaan en weer uitzenden. Een quantum dot is zo’n 4,5 nanometer groot.

Het team werkte met titania (de kleurstof in witte verf) en bracht daarin op regelmatige afstanden luchtbolletjes met quantum dots van cadmiumselenide aan. Het verschil in brekingsindex tussen titania en lucht is groot genoeg, om het geheel als fotonisch kristal te laten werken. In elk luchtbelletje zaten tot tien quantum dots. De onderzoekers maakten kristallen met afstanden tussen de luchtbellen van 240 tot 650 nanometer. Daarna voorzagen ze de quantum dots met een laserpuls van fotonen en maten hoe lang de dots erover deden om die weer uit te zenden. Ook bekeken ze de richting waarin de fotonen werden uitgezonden.

Een van de fotonische kristallen van titania. In de luchtbellen zijn de quantum dots als donkere stipjes zichtbaar. De afstand tussen de luchtbellen is hier 460 nanometer. bron: COPS/UTKlik op de afbeelding voor een grotere versie.

Fotonische kristallen zijn al eerder gemaakt, maar het Twents/Utrechtse team heeft voor de eerste keer een grootschalig effect bereikt. Ze wisten aan te tonen dat quantum dots door het hele materiaal verspreid actief waren; voorheen was dat alleen op kleinere schaal haalbaar. De dots zonden hun lichtdeeltjes maar in één richting uit. Die nauwkeurigheid maakt ze ideaal voor toepassing in microlasers. Hoe groter het aantal fotonen dat namelijk in de gewenste richting gaat, hoe efficiënter zo’n apparaat is; er gaat minder licht verloren. Tenslotte was er een derde bonus: waar andere fotonische kristallen maar een beperkt aantal golflengtes kunnen geleiden en blokkeren, bestrijkt het kristal van het FOM-team een heel frequentiegebied. Daardoor is het veel makkelijker in te passen in bestaande technologie.

Team

De groep onderzoekers bestaat uit de hoogleraar Willem Vos, postdoc Peter Lodahl, promovendus Ivan Nikolaev en en de afstudeerders Arie Irman en Karin Overgaag van de Universiteit Twente . Zij zijn lid van de Complex Photonic Systems-groep en het MESA+ Research Instituut van de UT. De Twentse onderzoekers werkten samen met hoogleraar Daniël Vermaekelbergh en promovendus Floris van Driel , beiden lid van het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 augustus 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.