Je leest:

Gouden trechter perst lichtbundel op nanodraad

Gouden trechter perst lichtbundel op nanodraad

Licht is de ideale informatiedrager – het is snel, energiezuinig en neemt weinig ruimte in. Helaas loop je tegen een probleem aan als je de componenten waarin het lichtsignaal zich voortplant verkleint, want licht kan niet door een structuur die kleiner is dan zijn golflengte. Wetenschappers van FOM-instituut AMOLF vonden een manier om dat probleem deels op te lossen.

Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica AMOLF hebben lichtgolven laten lopen over uiterst kleine draadjes. Hun experimenten laten zien hoe een ‘trechter’ van goud helpt bij het samenpersen van een bundel licht, zodat de lichtbundel op een gouden nanodraadje met een diameter van 60 nanometer (0,00006 mm) past. De gedemonstreerde concentratie van licht blijkt zeer efficiënt: er is voldoende licht in de nanodraad geperst om dat licht daadwerkelijk te kunnen gebruiken. Hierdoor vormt het onderzoek een belangrijke stap in de ontwikkeling van ultrakleine lichtcircuits, vergelijkbaar met elektrische circuits op computerchips. Bovendien is de verwachting dat deze sterke lichtconcentratie ook kan helpen om zonnecellen efficiënter te maken. Ewold Verhagen en zijn collega’s publiceren hun bevindingen op 22 mei in het prestigieuze tijdschrift Physical Review Letters.

Glasvezel-kabels worden gebruikt om lichtsignalen te transporteren.

Superkleine lichtbundels

Een lichtbundel kan normaliter niet veel kleiner samengeknepen worden dan de golflengte van het licht zelf, typisch zo’n 1 micrometer (0,001 mm), de zogenaamde diffractielimiet. Daarom kunnen componenten in optische chips niet eindeloos verkleind worden. Optische chips spelen een belangrijke rol in toekomstige informatietechnologie. Nu al beweegt het grootste deel van de telecommunicatiesignalen zich in de vorm van licht door optische glasvezels. Licht is een betere informatiedrager dan elektriciteit omdat het enorm veel kleuren kan hebben. Die kleuren kunnen elk een apart signaal dragen terwijl ze tegelijkertijd door dezelfde glasvezel bewegen. Daarnaast is informatietransport met licht ook energie-ëfficiënter dan met elektrische signalen. Veel onderzoek richt zich nu op het manipuleren van die lichtsignalen op een chip, zoals elektronische signalen op computerchips van nu. In ideale optische chips is het dan natuurlijk wel gewenst om het licht op nog veel kleinere schaal te geleiden dan nu mogelijk is. Net als op elektronische chips geldt dat kleinere componenten een grotere functionaliteit en snelheid kunnen leveren voor een lagere prijs. In het ideale geval zijn de optische componenten maar enkele tientallen nanometers groot, vergelijkbaar met de grootte van transistors.

Moderne transistoren hebben componenten van enkele tientallen nanometers breed.
Wintech Nano

Het breken van de diffractielimiet

Het manipuleren van licht op een schaal kleiner dan de diffractielimiet is mogelijk door het licht te geleiden in de vorm van zogeheten oppervlakteplasmonen langs een metaaloppervlak. Plasmonen zijn lichtgolven die zich langs een metaaloppervlak voortplanten doordat ze een sterke wisselwerking hebben met de zee van elektronen in het metaal (die ook voor de elektrische geleiding zorgen). De lichtgolf is als het ware gebonden aan het metaaloppervlak. Door het oppervlak de juiste vorm te geven kunnen plasmonen – in tegenstelling tot ‘gewone’ lichtgolven – bijna oneindig klein opgesloten worden. Verhagen en zijn collega’s leiden de plasmonen langs gouden nanodraden met een diameter van slechts 60 nanometer (0,00006 mm). Om de plasmonen op zulke kleine nanodraden te kunnen afbeelden is een speciale microscoop gebruikt, die niet alleen de sterkte van de plasmonen op de nanodraad met ultrahoge resolutie in kaart bracht, maar ook de snelheid van de plasmongolf kon meten en de polarisatie bepaalde. De polarisatie zegt iets over de richting waarin het elektrisch veld van de plasmongolf trilt. De experimenten toonden aan dat de polarisatie van plasmonen op de nanodraad bijzonder is: het elektrisch veld aan weerszijden van de draad is tegengesteld gericht, in tegenstelling tot een gewone lichtbundel, waarin het elektrisch veld dezelfde kant op wijst. Deze bijzondere trilwijze zorgt er aan de ene kant voor dat het licht op het nanodraadje gevangen blijft. Aan de andere kant zorgt hij ervoor dat het niet eenvoudig is om een plasmongolf op te wekken met een gewone lichtgolf. En het is juist op het vlak van het opwekken van plasmonen dat dit onderzoek nu de belangrijkste doorbraak boekt.

De gebruikte structuur aangebracht in een goudlaagje op glas (links), en de gemeten plasmon-intensiteit in die structuur (rechts). De plasmonen worden eerst geëxciteerd door een bundel licht te laten vallen op een rooster van gaatjes in het goud (boven in de figuur). Ze concentreren zich vervolgens in de trechter, en planten zich dan verder voort langs de nanodraad.
AMOLF

Plasmonen door een trechter

Hoewel de plasmonen op de nanodraad op het eerste gezicht moeilijk te exciteren lijken, blijkt er toch een manier te zijn om dat efficiënt te doen. De onderzoekers gebruikten een gouden strookje van enkele micrometers breed en maar 80 nanometer hoog, dat net als een trechter taps toeloopt, tot het naadloos overgaat in de nanodraad. Terwijl de inkomende plasmongolf zich langs de trechter voortplant, gaat hij qua trilwijze steeds meer lijken op de golf die uiteindelijk op de nanodraad past. Dit transformatieproces zorgt ervoor dat een lichtgolf die aan het begin relatief ‘groot’ is en ook makkelijk op te wekken is, efficiënt omgezet wordt in de plasmongolf op de nanodraad. De experimenten tonen aan dat de transformatie plaatsvindt met een efficiëntie van tenminste 50%.

In de nano-trechter van de AMOLF-onderzoekers wekt een lichtbundel eerst op een brede strook van goud een oppervlakteplasmon op (linksboven). Dat plasmon loopt over een taps toelopende gouddraad, en is uiteindelijk gecomprimeerd tot maar 60 nanometer (midden). Aan het einde van de dunne draad kan het plasmon weer breder worden, zodat het uiteindelijk weer in een lichtsignaal kan worden omgezet (rechtsonder).
AMOLF

Zonnecellen

Deze experimenten vormen een belangrijke stap op weg naar de realisatie van optische chips, waar het licht in de relatief grote glasvezels efficiënt omgezet zal moeten worden naar kleine golfgeleiders zoals de hier gebruikte nanodraden. Bovendien kan het gedemonstreerde principe van nano-concentratie van licht ook andere toepassingen hebben, bijvoorbeeld in zonnecellen. Veel voorgestelde materialen die zonlicht kunnen absorberen in zonnecellen kunnen het best gebruikt worden in zeer dunne lagen, vanwege de prijs of vanwege de intrinsieke (elektrische) eigenschappen van het materiaal. De juiste concentratie van zonlicht kan de lichtabsorptie in zulke dunne zonnecellen behoorlijk versterken. Dit opent de weg voor nieuwe materialen voor goedkopere zonnecellen.

Bron:

Nanowire plasmon excitation by adiabatic mode transformation, Ewold Verhagen, Marko Spasenović, Albert Polman en Kobus Kuipers, Physical Review Letters

Zie verder:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 mei 2009

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.