Lawaai in kristallen onderzocht
Als onze oren gevoelig waren voor superhoge trillingen, dan zouden we overal om ons heen uit vaste materialen lawaai horen komen. In kristallen treden door allerlei oorzaken geluidsgolven op. Die golven hebben een frequentie die ver boven het bereik van ultrageluid ligt; ze zijn voor het menselijk oor dus niet te horen. Met behulp van lasers kunnen onderzoekers naar wens in kristallen dergelijke geluidsgolven opwekken. De golven kunnen vervolgens zeer nauwkeurig met een andere laser worden aangetoond. FOM-onderzoeker dr. Danny Dieleman heeft nu met een laseropstelling die uniek is in de wereld, zeer smalle, zuivere bundels van geluidsgolven gemaakt en hun voortplanting in kristallen gevolgd. De uitkomsten blijken met klassieke natuurkunde heel goed verklaarbaar te zijn. Deze kennis biedt wellicht mogelijkheden voor nieuwe technieken om materialen te bestuderen.
Voor zijn experimenten, verricht bij de Universiteit Utrecht, gebruikte Dieleman kristallen van loodmolybdaat. Dit materiaal wordt veel toegepast, bijvoorbeeld als schakelelement in lasers; ze zijn commercieel leverbaar. De eigenschappen van deze kristallen zijn heel goed bekend, wat bijvoorbeeld voor onderzoek aan geluidsgolven in het materiaal heel plezierig is. Om geluidsgolven op te wekken wordt het kristal bedekt met een dun laagje van een ander materiaal, bijvoorbeeld goud. Dat laagje goud wordt vervolgens beschenen met een zogeheten gepulste laser; daarin wisselt de intensiteit van het licht met regelmaat. Hierdoor warmt het laagje eerst op, koelt dan weer af, warmte weer op en zo voorts. Tijdens het opwarmen zet het laagje uit, terwijl het krimpt als het afkoelt. De trilling die zo in het goudlaagje ontstaat, plant zich gedeeltelijk voort in het kristal. Bestraling met een gepulste laser levert een kakafonie aan trillingen in het kristal op, die allemaal gemeten kunnen worden; de analyse van al die trillingen is vervolgens een moeizame affaire.
Naald van geluid
Nu is er in het Utrechtse laboratorium een opstelling aanwezig, waarmee dit veel subtieler gedaan kan worden, uniek subtiel zelfs in de wereld. Het goudlaagje wordt niet met één laser bestraald, maar met twee precies dezelfde. Die zijn zodanig opgesteld dat hun bundels volkomen samenvallen, waardoor ze met elkaar interfereren. Doordat de golflengten van de bundels iets uit de pas lopen zal de intensiteit van de resulterende bundel met grote regelmaat veranderen, zoals de bekende zwevende toon van een ontstemde piano. Deze bundel is de bron voor de (snelle) verhitting van het goudlaagje, waardoor een bundel geluidsgolven het kristal indringt.
Het fraaie van de Utrechtse opstelling is dat daarmee een geluidsbundel ontstaat die als een naald zo nauw is; de doorsnede ervan is net zo groot als de laserbundel wanneer die het goudlaagje treft, 0,04 millimeter. Omdat de interferentie van de laserbundels nauwkeurig ingesteld kan worden, krijgt de geluidsbundel maar een zeer beperkt frequentiebereik. Daardoor is hij heel mooi door het kristal te volgen en wordt de analyse van wat er met die bundel in het kristal gebeurt, veel eenvoudiger.
De geluidsbundel wordt gedetecteerd met behulp van een laser die van opzij door het kristal heen schijnt. Dit laserlicht weerkaatst onder andere aan de geluidsbundel en wordt daarbij verschoven in frequentie (het bekende Dopplereffect). Dit weerkaatste licht kan van de rest van het doorgaande licht worden onderscheiden. De hoeveelheid licht die weerkaatst hangt af van de intensiteit van de akoestische bundel en van de richting van de golffronten in die bundel. Zo kan dus hun plaats en hun voortplanting worden bepaald.
Geluidsbundels manipuleren
In een aantal experimenten heeft Dieleman onderzocht hoe de geluidsbundel in het kristal zich laat manipuleren. Het blijkt bijvoorbeeld dat je de geluidsbundel op een bepaalde diepte in het kristal kunt focusseren (je maakt als het ware een akoestische lens). Je kunt de geluidsbundel onder een bepaalde hoek door het kristal laten bewegen door de laserbundels die het goudlaagje bestralen niet samen te laten vallen en vlak voor het goudlaagje met behulp van een lens te bundelen. De hoek waaronder de bundel zich in het kristal beweegt kan worden gevarieerd door eenvoudig de afstand tussen de bundels te veranderen. In een ander experiment werkte Dieleman met een patroon van goudlijntjes op het kristal, in plaats van één gesloten laagje. Door het tralie ontstaan verscheidene bundels tegelijkertijd. Iedere bundel plant zich onder een andere hoek in het kristal voort. Dit is analoog aan wat er gebeurt als licht op een optisch tralie valt. Dit suggereert dat op deze manier een akoestisch filter kan worden gemaakt. Eenzelfde effect kan worden bereikt door niet één goudlaagje aan te brengen, maar een aantal lagen van verschillende materialen afwisselend te stapelen. Dat is dan de geluidsvariant van de optische coating. Dieleman heeft in zijn onderzoek overigens niet gekeken naar mogelijke toepassingen.
Het mooie, zegt Dieleman, is dat alle effecten die hij onderzocht heeft zich in principe prima laten beschrijven met de formules voor de voortplanting van lichtgolven, die al uit de vorige eeuw dateren. Het enige verschil is dat in kristallen golven in verschillende richtingen verschillende voortplantingssnelheden hebben. Het is alsof je een steentje in een plas water gooit en er ontstaan geen mooi ronde kringen die gelijkmatig naar alle kanten weglopen, maar ellipsen. Deze eigenschap van kristallen heet anisotropie. Omgekeerd levert de manier waarop golven in het kristal zich voortplanten dus informatie over de anisotropie van dat kristal.
Geluid als informatiebron
Evenzo hebben andere eigenschappen van het kristal invloed op die voortplanting. Zo trillen atomen in het kristalrooster niet in alle richtingen even sterk. Dat is aan de geluidsgolven te zien. Ze vertellen daardoor iets over de elasticiteit van het kristal en dus over de manier waarin het kristal reageert op vervorming. Met name op het grensvlak tussen verschillende materialen (bijvoorbeeld in dunne lagen of bij hechting van materialen) spelen dit soort effecten een rol. Daardoor zou de bestudering van geluidsgolven mogelijk een aanvullende bron van informatie kunnen zijn, naast technieken als de elektronenmicroscoop, de raster tunnel microscoop en de atomaire-krachtmicroscoop.
Voor verdere informatie kan men terecht bij dr. Danny Dieleman, telefoon (020) 612 78 98 of bij zijn promotor, prof.dr. H.W. de Wijn, telefoon (030) 253 24 14.