Licht dat zich tussen verstrooiende nanodeeltjes voortbeweegt, doet dat via diffusie – zoals theedeeltjes in heet water. Hoe dieper het licht doordringt in de ondoorzichtige laag, hoe minder lichtenergie er over blijft. Toch slagen onderzoekers van de groep Complex Photonics Systems van de Universiteit Twente (MESA+) erin, de diffusie actief te beïnvloeden zodat er netto juist veel méér lichtopbrengst is. Dit kan winst zijn in bijvoorbeeld zonnecellen, witte LED’s of geavanceerde biomedische imaging. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in New Journal of Physics.
In een omgeving waar willekeur heerst, zoals een verzameling ongeorganiseerde deeltjes die allemaal licht gaan verstrooien, verspreidt licht zich tóch op een uniforme manier. Dat is het kenmerk van diffusie dat fysici als Albert Einstein en Adolf Fick al fascineerde: een fenomeen dat we overal om ons heen kunnen waarnemen.
Van daling naar stijging
In het UT-onderzoek bestaat de willekeur (randomness) uit een laag witte verf. Valt daar licht op, dan gaan alle zinkoxide-deeltjes in de verf het verstrooien. Het licht dat van het ene deeltje komt, interfereert weer met dat van anderen. Maar netto spreidt het licht zich op een uniforme manier uit, via diffusie. Theoretisch zal dan de energiedichtheid lineair afnemen met de indringdiepte van het licht in de laag. Maar daar namen de UT-onderzoekers geen genoegen mee. Zij wilden weten of de energiedichtheid ook eerst flink kan tóenemen, om pas vanaf het midden van de laag af te nemen. Daarmee zou het licht de ‘fundamentele oplossing’ van de diffusievergelijking volgen. De totale hoeveelheid energie in de laag neemt dan drastisch toe.
De blauwe lijn geeft de 'gewone' dalende curve weer; hoe dieper in de laag, hoe lager de energiedichtheid. De 'enhanced' diffusiekromme (rood) geeft juist eerst een stijging en daarmee netto een veel grotere hoeveelheid lichtenergie.
Kijken in een ondoorzichtige lag
Maar hoe doe je dat zonder het laagje te veranderen? En hoe kun je eigenlijk in een ondoorzichtige laag kijken om te checken of het werkt? De onderzoekers veranderen niet het laagje, maar het licht. In de groep Complex Photonic Systems is eerder een techniek ontwikkeld voor ‘wavefront shaping’: de onderzoekers kunnen bijvoorbeeld het licht zodanig programmeren dat er aan de achterkant van een schijnbaar ondoordringbare laag witte verf toch een heldere lichtvlek te meten is. Die techniek gebruiken ze nu ook om het proces van diffusie actief te beïnvloeden. Maar hoe weet je of het werkt? Daarbij helpen fluorescerende bolletjes die in de laag worden aangebracht. Die bolletjes gaan licht uitzenden waaruit de energiedichtheid ter plekke is af te leiden. Een gevoelige lichtsensor ‘aan de achterkant’ meet de totale intensiteit. Metingen laten nu geen dalende grafiek meer zien, maar een stijgende, zoals de diffusiekromme voorspelt: met de dikte van de laag stijgt de energiedichtheid.
De experimentele set-up: fluorescerende deeltjes in de verstrooiende laag registreren hoeveel lichtenergie ter plekke aanwezig is. Het invallende licht zorgt dankzij 'wavefront shaping' voor een betere energieverdeling.
Deze bijzondere techniek kan bijvoorbeeld gebruikt worden om zonnecellen een hoger rendement te geven: er is meer licht beschikbaar voor omzetting in elektrische energie. Ook is de energieomzetting in witte LED’s kosteneffectiever te maken, zijn lasers te maken met een grotere opbrengst, of is de belichting in medische imaging beter te regelen.
Het paper ‘Coupling of energy into the fundamental diffusion mode of a complex nanophotonic medium’, door Oluwafemi Ojambati, Hasan Yilmaz, Ad Lagendijk, Allard Mosk en Willem Vos staat vanaf 21 april online bij het New Journal of Physics, journal van het Institute of Physics en de Deutsche Physikalische Gesellschaft.
