Het meeste licht om ons heen is het resultaat van een proces waarbij licht spontaan wordt uitgezonden door bronnen. Het beheersen van spontane emissie van licht door een microscopische bron is een populair onderwerp in de nanofotonica, omdat het gebruikt wordt in allerlei toepassingen: van het versturen van data per email tot het visualiseren van een cel met een microscoop. Omdat het onderzoeksgebied veel verschillende perspectieven heeft, heeft een team van wetenschappers van de Universiteit van Exeter en de Universiteit Twente een tutorial samengesteld die dient als uitleg voor niet-specialisten en studenten. Tijdens het werk aan dit tutorial artikel zijn twee verrassende ontdekkingen gedaan. Het artikel verschijnt in het toonaangevende Europese tijdschrift Journal of Optics.
Verschillende perspectieven
De studie van het beheersen van spontane emissie heeft zich in de loop van de tijd verspreid over vele verschillende gemeenschappen in de wetenschap en de technologie. Als gevolg daarvan hebben dezelfde concepten verschillende namen gekregen in verschillende gemeenschappen en zijn er zelfs nieuwe gezichtspunten ontstaan die zijn geïnspireerd door verschillende onderzoekstradities.
Figuur 1: De spontane emissie van licht geïllustreerd vanuit verschillende perspectieven: (a) vanuit de kwantumoptica, (b) vanuit de golfverstrooiing, (c) als wisselstromen in een elektrisch circuit.
Afhankelijk van de achtergrond van een wetenschapper worden zowel het licht als de bron anders bekeken. De voorbeelden in figuur 1 illustreren de drie perspectieven die het vaakst in de wetenschappelijke literatuur worden aangetroffen. De onderzoekers presenteren voor het eerste de vertaalslagen tussen een aantal van deze perspectieven. William Barnes is enthousiast: "Ons paper is een soort Wikipedia voor onderzoek naar spontane emissie, en dient als een soort Google translate tussen de verschillende onderzoeksgebieden".
Klassieke- en kwantumbeschrijvingen van emissie
De formules die zowel radioantennes als de microscopische bronnen beschrijven zijn dezelfde, wat op zich al opmerkelijk is gezien het enorme verschil in grootte van meer dan een miljoen keer. Een eenvoudige weergave van een antenne en een atoom (figuur 2) laat zien dat de twee vormen van uitzending veel met elkaar gemeen hebben. "Tijdens het schrijven van het artikel hebben we dieper inzicht gekregen in de analogie", zegt Vos. "We realiseerden ons dat een kwantumbron twee keer zo snel licht uitstraalt als een vergelijkbare klassieke bron." Het team realiseerde zich dat deze eigenschap diep verborgen zit in oude boeken. Horsley legt uit: "In principe wordt een klassieke bron alleen in werking gezet door de zogenaamde stralingsreactie (tussen het uitgezonden veld en de oscillerende stroom in de bron). Daarnaast ervaart een kwantumzender ook ‘vacuum forcing’ wat intrinsiek een kwantummechanisch fenomeen is. Daarbij schudden onvermijdelijke fluctuaties van het elektrische veld het atoom als het ware door elkaar."
Figuur 2: Een vergelijking van klassieke en kwantumemissie. Een klassieke antenne ervaart alleen zgn. stralingsreactie (Engels: ‘radiation reaction’). Een kwantumbron ervaart een extra aandrijving die intrinsiek kwantummechanisch is (Engels: ‘vacuum forcing’).
Meer informatie
Het onderzoek is uitgevoerd door prof. William Barnes van de Physics Department van de Universiteit van Exeter en de leerstoel Complex Photonic Systems (COPS) in het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie aan de Universiteit Twente, dr. Simon Horsley van de Physics Department van de Universiteit van Exeter, en prof. Willem Vos van de leerstoel Complex Photonic Systems (COPS) in het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie aan de Universiteit Twente.
Het onderzoeksproject is gefinancierd door een ERC Advanced Grant, de Leverhulme Trust en de Royal Society, een Royal Society TATA University Research Fellowship (RPG-2016-186), en door NWO (Perspectief Programma "Free Form Scattering Optics", FOM-programma "Stirring of Light!"), en de MESA+ afdeling Applied Nanophotonics (ANP).
Het artikel getiteld "Classical antennae, quantum emitters, and densities of optical states" is in juni gepubliceerd in het Journal of Optics (door het British Institute of Physics (IOP)). Het artikel is open access en beschikbaar bij de COPS leerstoel en op de website van de Journal of Optics.
