28/04/2021
Door Ad Spijkers
Je kunt licht niet verder een kristal in sturen dan volgens de wetten van de natuurkunde mogelijk is. Onderzoekers van Universiteit Twente deden het toch.
Licht dat je een fotonisch kristal instuurt, kan niet dieper komen dan de zogenaamde Bragg-lengte. Dieper het kristal in kan licht in een bepaald kleurbereik simpelweg niet bestaan. Het licht is daar om fysische redenen‘verboden’. Toch zijn onderzoekers van Universiteit Twente, de University of Iowa in Iowa City en de Universiteit van Kopenhagen erin geslaagd, deze wet ‘te overtreden’. Zij sturen licht het kristal in, volgens een geprogrammeerd patroon, en tonen aan dat het ook de verboden plaatsen bereikt.
Fotonische kristallen
Deze kristallen hebben een regelmatig patroon van nanoporiën die in silicium zijn geëtst. Ze zijn zodanig te ontwerpen dat ze een bepaald kleurbereik van licht perfect weerspiegelen. Binnenin het kristal is licht van die kleuren dan ‘verboden’, als gevolg van destructieve interferentie: alle lichtgolven heffen elkaar. Zelfs als je een atoom binnenin het kristal zou plaatsen dat die kleur licht van nature uitzendt, zal het stoppen met het uitzenden van licht. De begrenzing ligt vast in de zogenaamde Bragg-lengte, volgens een bekende wet uit de natuurkunde.
Het verboden gebied maakt dat fotonische kristallen hightech spiegels zijn voor een bepaald kleurbereik. Het ‘verboden gebied’ blijkt aantrekkelijk bij de ontwikkeling van miniatuurlasers, zonnecellen, en lichtchips. En als ergens ‘verboden’ bij staat, is het aantrekkelijk om toch te proberen het te bereiken. Dat hebben de onderzoekers nu gedaan. Zij tonen aan dat licht kan doordringen in het fotonisch kristal, veel dieper dan de Bragg-lengte voorschrijft.
Heldere lichtspot
Dit doen zij door rekening te houden met minuscule imperfecties die onvermijdelijk optreden bij het fabriceren van nanostructuren. Daarbij maken ze gebruik van vooraf geprogrammeerde lichtgolven. Die imperfecties maken dat de golven willekeurig worden verstrooid in het kristal. De onderzoekers weten het licht zo te programmeren dat elke locatie in het fotonisch kristal, naar keuze, is te bereiken. Ze laten zelfs zien dat een heel heldere lichtspot ontstaat diep in het kristal, op vijfmaal de Bragg-lengte. De lichtsterkte is daar honderd maal versterkt, terwijl het daar normaal honderd tot duizend maal verzwakt zou zijn.
Dit opmerkelijke effect is te benutten om bijvoorbeeld stabiele quantum bits te maken, voor een quantumcomputer die werkt met licht. Doordat licht veel dieper het kristal indringt, kunnen in potentie véél meer qubits worden geadresseerd. Ook voor miniatuur lichtbronnen, lasers en fotonische circuits op een chip is het ‘verboden effect’ gunstig.
Foto: Universiteit Twente