HomeNieuwsNieuw diffractiefenomeen waargenomen en verklaard

Nieuw diffractiefenomeen waargenomen en verklaard Regelmatige kristalstructuren houden ook lage frequenties tegen

‘Sub-Bragg diffractie’ noemen onderzoekers van de UT/Mesa+ groep Complex Photonic Systems en het FOM-instituut AMOLF hun verrassende waarnemingen. Ook bij ultralage energiefrequenties kan een ‘energiedip’ optreden in regelmatige kristalstructuren waarbij reflecties in het materiaal optreden. Theoretisch stond de laagste energie al bijna een eeuw lang onwrikbaar vast, voorspeld in de zogeheten Bragg-voorwaarden. ‘Volgens dezelfde theorie treden bijkomende diffracties op die op hun beurt leiden tot energiedips’, zegt onderzoeker Simon Huisman. ‘Het opvallende is dat dit bij lagere frequenties ofwel energieën kan plaatsvinden. Dit geldt voor bijna de helft van alle bekende kristalstructuren.’ Het team onderzoekers werkte samen met FOM, NWO/Vici, STW/NanoNed en Smartmix-Memphis. De resultaten worden 24 februari gepubliceerd in Physical Review Letters.


Als eerste denken de onderzoekers dat de resultaten nuttig zijn in nieuwe optische schakelaars die gebruik maken van ‘de verboden band’. Omdat licht van bepaalde golflengtes - en dus van kleuren - door diffractie niet door een kristal kan reizen, is het mogelijk informatiedragend licht effectief te schakelen. De vindingen zijn volgens onderzoeker Huisman van waarde voor ontwerpers van deze circuits. ‘Behalve dat men op een nieuwe manier met de energieniveaus kan schuiven – wat al spectaculair genoeg is – zijn er extra mogelijkheden om in bepaalde richtingen met de frequenties te schuiven. Dat is van belangrijke toegevoegde waarde.’

Ook voor Röntgenmicroscopie is het werk van direct belang. Daar wordt effectief gebruik gemaakt van de vaststaande lichtfrequenties en Bragg-diffractie. Omdat nu ook bij lagere frequenties energiegaten kunnen optreden, moeten onderzoekers deze diffractiepieken meerekenen. Anders besluiten ze op valse gronden tot de aanwezigheid van bepaalde materialen.


Onverwacht

De onderzoekers werden onverwacht op het spoor gezet van het sub-Bragg fenomeen. Niet alle lichtenergie die opgesloten was in een fotonisch kristal, bleek daadwerkelijk eeuwig daarin te blijven en ontsnapte al vlot. Kristallen bezitten unieke diffractie-eigenschappen, voortkomend uit hun regelmatige periodieke structuur. De doorgankelijkheid en verstrooiing van energie is beschreven door William Lawrence Bragg (de zoon van William Henry Bragg, beide kregen de nobelprijs in 1915): als de golflengte twee keer zo groot is als de afstand tussen de knooppunten van het kristal (die in een vlak liggen) dan dooft licht van die golflengte uit (zie figuur 1). Zo wordt een energiegat in het kristal veroorzaakt.


Nanogaatjes

Bragg realiseerde zich geniaal dat de energiegaten bepaald worden door de afstand tussen de knooppunt-vlakken van de atomen of moleculen in het kristalrooster. Door de knooppunt-vlakken na te bootsen in silicium met uiterst nauwkeurig geboorde nanogaatjes (zonder onregelmatigheden, volgens slim gekozen patronen) konden de onderzoekers in experimenten een tweede diffractie waarnemen, afkomstig van vlakken diagonaal op de eerder bekende vlakken. Hier treedt ook diffractie op en wel bij langere golflengtes van het licht, wat overeenkomt met lagere frequenties en lagere energie (zie tekening 2).

De lichtgolven worden tegelijkertijd gereflecteerd door twee sets van knooppuntvlakken die met elkaar samenhangen: Bragg en ‘sub-Bragg’ diffractie. Of het nu om licht of geluid gaat, maakt niet uit, zegt Huisman. Sub-Bragg diffractie treedt op in halfgeleiders maar ook bij Röntgenstraling of geluid door roosters. ‘We voorspellen dat het fenomeen daar net zo goed te vinden is.’

De energiegaten zijn essentieel voor het schakelen van elektronische stromen en informatie-eenheden in halfgeleiders, akoestische eigenschapen binnen akoestische kristallen en het opsluiten van licht in optische metamaterialen. Door de diffractiepatronen kunnen ontwerpers bepalen hoe allerhande golven door verschillende materialen lopen.


Absolute regelmaat

Voor de waarnemingen was het nauwkeurig boren van de gaatjes van essentieel belang. Twee jaar geleden was dat nog niet goed mogelijk maar tegenwoordig is het bij Mesa+ state-of-the-art. De patronen vertonen geen onregelmatigheden. ‘Dat is een absolute voorwaarde voor de waarnemingen, want anders vertroebelen verstrooiingen de meetresultaten onherstelbaar.’

Sub-Bragg diffractie heeft in veel gevallen implicaties: in twee van de vijf tweedimensionale Bravais-kristalstructuren en in zeven van de veertien driedimensionale Bravais-structuren. Deze classificaties zeggen iets over de manier waarop de knooppunten over de vlakken zijn verdeeld. Huisman: ‘Onze experimenten hadden net zo goed met vierkante gaten gedaan kunnen worden. Dat is niet van belang. Het gaat om de specifieke repetitie en ruimtelijke verdeling van de roosterpunten.’


Noot voor de pers

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Simon Huisman MSc (053-489 5391) of prof. dr. Willem Vos (053-489 5390).