Je leest:

Kleur op commando

Kleur op commando

Auteur: | 28 mei 2003

Met een – letterlijk – schokkend experiment willen natuurkundigen van MIT (Massachussetts Institute of Technology) iets spectaculairs bereiken: licht met minimaal energieverlies van kleur veranderen. Voorheen was daar ontzettend dure en energie-verspillende apparatuur voor nodig. Het team van John Joannopoulos denkt dat een stukje fotonisch kristal en een kogel al genoeg zijn. Dat hebben ze met computerberekeningen bepaald.

Kleuren veranderen – is dat nou zo spectaculair? Een prisma breekt toch wit licht in de kleuren van de regenboog en wit zonlicht dat op gras schijnt wordt als groen licht verdergekaatst? In deze twee voorbeelden verandert de kleur van het licht wel, maar er gaat een hoop energie verloren. Je kunt op deze manier alleen kleuren en dus energie wegfilteren: door de kleuren in het witte licht uit elkaar te trekken haal je de regenboog of het groene licht naar voren.

Met een Scanning Electron Microscope is dit plaatje van een fotonisch kristal gemaakt. Een fotonisch kristal is opgebouwd uit staafjes silicium die op regelmatige afstanden zijn geplaatst. In dit kunstmatige kristal kunnen sommige golflengtes van licht niet en andere wel doordringen. Sandia Labs

Joannopoulos en zijn collega’s Reed en Soljacic zijn iets heel anders van plan: zij nemen bijna alle energie in een bundel licht en zetten die om naar een andere golflengte. Dat doen ze met een fotonisch kristal, een kunstmatig materiaal dat bestaat uit lagen van verschillende brekingsindices. Zo’n kristal is ondoordringbaar voor een aantal golflengtes, maar niet voor allemaal. De geblokkeerde golflengtes hebben zo’n afmeting, dat ze net niet in het kunstmatige kristalrooster passen; ze doven zichzelf dus uit en dringen niet in het materiaal door. Hetzelfde effect, maar dan voor electronen, bestaat in halfgeleiders: die blokkeren electronen met bepaalde energieën maar laten andere gewoon door.

Een fotonisch kristal blokkeert sommige kleuren licht. In dit geval worden die teruggekaatst wat de een hele waaier aan kleuren oplevert. Sommige gebieden hebben verschillende kleuren; dat wordt veroorzaakt doordat het kristalrooster in die stukken anders is georiënteerd ten opzichte van de lichtbron. bron: Dinsmore Research Group, Universiteit van Massachussetts

De MIT-ers wisten dat de vorm van het fotonische kristal bepaalt, welke golflengtes wel of niet door het kristal kunnen reizen. De juiste schokgolf, zo werkten ze op de computer uit, vervormt het kristal zó, dat een golflengte die eerst in het kristalrooster paste ineens wordt tegengehouden. Op het grensvlak van de schokgolf kaatst dat licht dan tussen het verboden en toegestane gebied heen en weer. Maar de scholgolf beweegt zelf door het kristal heen: de teruggekaatste golf ondergaat dus Doppler-verschuiving. Dat verschijnsel zorgt dat bijvoorbeeld de sirene van een langsracende ambulance eerst een hoge toon, maar als de ambulance van ons wegrijdt een lage toon is. De lichtgolf in het fotonische kristal verandert op soortgelijke wijze van ‘toon’: de golflengte van het licht verandert.

De methode van Joannopoulos werkt niet alleen voor zichtbaar licht. In principe kan elke elektromagnetische golf in een andere worden omgezet. Ook hebben de onderzoekers ontdekt dat ze de energie van licht met een hele reeks aan verschillende golflengtes – zoals wit licht van de zon – kunnen bundelen op een veel kleinere golflengte. Net zoals een prisma krijgen ze dan één gekleurde lichtbundel uit wit licht, maar bij de nieuwe methode gaat bijna geen energie verloren. Een prisma gooit alle kleuren die je niet nodig hebt uit de lichtbundel. De energie in dat overtollige licht ben je dan kwijt. Deze controle over kleurenmengelingen is uniek: er is geen andere methode bekend om zó met licht te werken.

Op dit moment willen Joannopoulos en zijn team de schokgolf gaan maken door het kristal met een kogeltje te beschieten. Het kristal is daarna weliswaar stuk, maar blijft tijdens de botsing lang genoeg intact om licht van golflengte te veranderen. Natuurlijk zijn er plannen om het kristal minder aggressief te schokken. Geluidsgolven zijn bijvoorbeeld ook kleine vervormingen van het kristal en zouden hetzelfde resultaat opleveren.

De toepassingen van het onderzoek zijn bijna eindeloos. Medici zijn geïnteresseerd in terahertz-straling, die tussen microgolven en infraroodstraling in zit. Deze straling is erg moeilijk te produceren, maar zou een goed alternatief vormen voor de röntgenstraling waarmee nu wordt gewerkt.

Uit de wereld van optische netwerken en computers ook interesse voor het onderzoek van Joannopoulos’ team. Door een glasvezel worden signalen van verschillende golflengtes verstuurd. Als de capaciteit voor één golflengte bereikt, kan een geschikt en geschokt fotonisch kristal het signaal naar een andere golflengte verzetten. En wat te denken van een toepassing veel dichter bij huis – de gloeilamp die 95% van zijn energie als infraroodstraling uitzendt? Een fotonisch kristal in de gloeilamp kan licht leveren zonder de lamp gloeiend heet te maken. Dat spaart energie én verbrande vingers!

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 mei 2003

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.