Wetenschappers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie aan de Universiteit Twente in Nederland hebben een nieuw soort trilholte ontworpen dat als gevangenis voor fotonen dient. De holte begrenst licht in alle drie de dimensies in de ruimte, binnenin een fotonisch kristal. De kristallen hebben een structuur vergelijkbaar met hoe atomen in diamanten edelstenen zijn gerangschikt. Het begrenzen van fotonen heeft vele toepassingen in optica (efficiënte miniatuurlasers en LEDs), communicatietechnologie (on-chip opslag van stukjes informatie) en zelfs in life sciences (minutieuze maar gevoelige sensoren van farmaceutische materialen). Deze resultaten verschijnen in het toonaangevende vakblad Physical Review B, wat wordt uitgegeven door de American Physical Society (APS).
In optica worden trilholtes veel gebruikt, vanwege hun vermogen om licht op te slaan in een gelimiteerde ruimte voor een specifieke tijdsduur. Een generieke holte bestaat uit twee spiegels gescheiden door een stukje transparant materiaal. Licht kaatst heen en weer tussen de spiegels. Aangezien licht een elektromagnetische golf is zijn er specifieke golven waarvan de golflengte (of kleur) hetzelfde is als de lengte van de holte die in de holte kunnen bestaan. Dit wordt veroorzaakt door constructieve interferentie, waarbij toppen en dalen van veel golven samenvallen en opbouwen tot een hoge intensiteit. Daarom resoneren de toegestane golven om samen een staande golf in een holte te vormen.
Figuur 1: Ontwerp van een gevangenis in een diamantachtig fotonisch kristal. De bovenkant van het kristal is opgetild om de binnenstructuur te laten zien. Het kristal heeft een diamantachtige structuur, gemaakt van twee sets van wederzijds loodrechte poriën die in silicium (blauwgekleurd materiaal) worden geboord. Om een trilholte te realiseren heeft één porie in elke set (aangegeven met zwarte pijlen) een kleinere diameter. Bij de kruising van deze poriën verschijnt een puntdefect in het kristal. Uitgebreide berekeningen laten zien dat licht beperkt blijft tot een klein volume rond dit punt, zoals aangegeven met het geel gekleurde vlak.
Licht cirkelt niet onbeperkt rond in een holte, want tijdens elke rondgang lekt een gedeelte van de lichtenergie eruit. Een belangrijke lekkage wordt veroorzaakt door het feit dat spiegels meestal niet licht in alle richtingen weerkaatsen. In veel reisrichtingen gaat het licht langs een spiegel en ontsnapt dan aan de holte. Dat soort ongewenste ontsnappingen kunnen worden tegengehouden met speciale spiegels voor alle drie de dimensies tegelijk. En laat dat nou precies zijn wat het ontwerp van het Nederlandse team gebruikt.
Het nieuwe ontwerp is gebaseerd op driedimensionale fotonische kristallen. Deze structuren staan welbekend om hun vermogen om de emissie en propagatie van licht te controleren. Ze bevatten een periodieke geometrie dat er voor zorgt dat een bepaalde kleur licht niet mag bestaan binnenin het kristal. Het licht kan het kristal niet in omdat het wordt weerkaatst, onafhankelijk van in welke richting het reist. In vergelijking met de eigenschappen van halfgeleiders wordt dit effect een "fotonische bandkloof" genoemd.
Binnenin het bandkloofkristal kan het verboden licht bestaan in een kleine hoeveelheid, als er een puntdefect wordt geïntroduceerd. Aangezien zo'n optische holte wordt omgeven door het fotonische bandkloofkristal - dat fungeert als driedimensionale spiegel voor licht - kan licht niet ontsnappen: het zit vast in een gevangenis.
Figuur 2: Berekende mode volume voor vijf verschillende resonanties die in de holte verschijnen zoals afgebeeld in Figuur 1. De volumes voor opgesloten licht zijn genormaliseerd tot de derde macht van de golflengte van licht. Er doen zich extreem kleine mode volumes voor, wat aangeeft hoe sterk te begrenzing van licht is in deze driedimensionale "gevangenissen voor licht".
Het is een uitdaging om een fotonische holte maken, aangezien het diep in een driedimensionaal structuur moet worden aangebracht, wat meestal een moeilijk te bereiken plek is. Daarom kwam het Twentse team met een simpel ontwerp: ze gebruikten een diamantachtig kristal dat is opgebouwd uit twee sets loodrechte poriën, zoals te zien is in Figuur 1. Dat soort kristal heeft een bandkloof van recordbreedte, wat de holte een sterk schild geeft. Eén porie in elke set heeft een kleinere diameter en op de kruising van die poriën verschijnt een puntdefect. Licht wordt dan in een klein hoeveelheid gevangengenomen rond het defect, zoals aangegeven met het geel gekleurde vak in Figuur 1. Uitgebreide berekeningen laten zien dat het volume van de fotongevangenis slechts 2,5 keer de golflengte van licht tot de macht drie is (zie Figuur 2). Met andere woorden, zo klein als een duizendste van een miljoenste van een miljoenste van een liter.
Eerder had het team al laten zien dat diamantachtige fotonische bandkloofkristallen in silicium geëtst kunnen worden, met technieken die nu vooral gebruikt worden in de halfgeleiderchipindustrie. Het nieuwe ontwerp voor een holte kan worden toegepast tijdens de routinematige fabricage van deze fotonische kristallen. Daarom zal het snel mogelijk zijn om een lichtgevangenis op een chip te maken. Dit maakt de weg vrij voor het opwindende idee om ultrasnelle fotonmanipulatie te integreren met bestaande elektronische informatiemanipulatie.
Het team
Het onderzoek werd uitgevoerd door Dr. Léon Woldering, van de leerstoel Transducers Science and Technology (TST), en door Prof. Allard Mosk en Prof. Willem Vos van de leerstoel Complex Photonic Systems (COPS), aan het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente in Enschede, Nederland. Het project werd ondersteund door de European Research Council en de Nederlandse wetenschapsinstellingen NWO, de natuurkundestichting FOM en de technologiestichting STW.
Informatie op het internet:
De paper heeft als titel “Design of a three-dimensional photonic band gap cavity in a diamond-like inverse woodpile photonic crystal” en verschijnt binnenkort in de Physical Review B, volume 90, zie ook http://journals.aps.org/prb
Een preprint van het artikel kan worden gedownload van de COPS website op www.photonicbandgaps.com of van de Cornell University preprint server op http://arxiv.org/abs/1405.2862
Neem voor meer informatie contact op met:
Dr. Léon Woldering, Universiteit Twente, Enschede, Netherland, e-mail: l.a.woldering[at]utwente.nl, tel. +31 (0)53 489 2603
Prof. Dr. Willem Vos, Universiteit Twente, Enschede, Netherland, e-mail: w.l.vos[at]utwente.nl, tel. +31 (0)53 489 5388
