Zie Nieuws

Licht sturen naar plekken waar het niet kan bestaan

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 ‘verboden’ om fysische redenen. Toch zijn onderzoekers van de Universiteit Twente, de University of Iowa 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. Ze publiceren erover in Physical Review Letters.

Fotonische 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 ook aantrekkelijk bij de ontwikkeling van miniatuurlasers, zonnecellen, en lichtchips. En toch, altijd als ergens ‘verboden’ bij staat, dan 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. En door daarbij gebruik te maken van vooraf geprogrammeerde lichtgolven. Die imperfecties maken dat de golven willekeurig worden verstrooid in het kristal. De onderzoekers weten het licht nu 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 100 maal versterkt, terwijl het daar normaal 100 tot 1000 maal verzwakt zou zijn.

Stabiele qubits

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’ zeer gunstig. 

Het onderzoek is uitgevoerd door de groep Complex Photonic Systems (COPS) van de UT van prof. Willem Vos. De eerste auteur, Ravitej Uppu, is intussen hoogleraar aan de University of Iowa. Het onderzoek is gezamenlijk voortgezet, waarbij ook is samengewerkt met de Universiteit van Kopenhagen.

Het is ondersteund door het NWO-FOM-programma ‘Stirring of Light!’, het Perspectief Programma ‘Free form scattering optics’, het NWO-ENW-programma ‘Self-assembled icosahedral photonic quasicrystals with a band gap for visible light’, de Applied Nanophotonics (ANP) sectie van het MESA+ Instituut en het Center for Hybrid Quantum Networks van het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen.

Het paper ‘Spatially shaping waves to penetrate deep inside of a forbidden gap’, door Ravitej Uppu, Manashee Adhikary, Cornelis Harteveld en Willem Vos word gepubliceerd op 30 april 2021 in Physical Review Letters en is al uitgelicht door Physics.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)
+31 53 489 4244 | +31 6 12185692
 w.r.vanderveen@utwente.nl
Gebouw: Spiegel Tuin