Fotonische materialen: het net sluit zich rond licht
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit van Amsterdam, zijn er, in samenwerking met collega's van de Universiteit Utrecht en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, in geslaagd om verschijnselen waar te nemen die erop wijzen dat licht bijna is opgesloten in fotonische materialen. Zij namen waar dat licht zich in een kunstmatig opaal nog maar in een zeer beperkt aantal richtingen kan voortplanten. Lichtpulsen die zich in overige richtingen bewegen, worden sterk vertraagd tot ruim beneden de lichtsnelheid. De algehele opsluiting van licht is niet alleen een heel nieuw verschijnsel, maar verwezenlijkt ook de droom om licht naar wens te manipuleren. Uiteindelijk zou het dan mogelijk zijn om met licht te schakelen in een computer in plaats van met elektriciteit. De resultaten verschijnen in een serie publicaties in het Amerikaanse tijdschrift Physical Review Letters.
De meest karakteristieke eigenschap van fotonische materialen is dat hun brekingsindex voor licht verandert op een lengteschalen gelijk aan de golflengte van licht. Voor zichtbaar licht is de gewenste lengteschaal ongeveer een halve micrometer. Eén micrometer is eenduizendste millimeter; atomen zijn nog eens duizend tot tienduizend keer kleiner. Fotonische materialen bestaan daarom uit een mengsel van twee fijn verdeelde stoffen. Hoe groter het verschil in brekingsindex tussen die stoffen, hoe groter de verandering van eigenschappen van het licht in zo'n materiaal. Onderzoek naar dergelijke materialen neemt de laatste jaren sterk toe, zowel vanwege de nieuwe fundamentele aspecten van deze materialen als de mogelijke toepassingen.
Opalen en sponzen
Fotonische materialen kunnen worden onderverdeeld in twee groepen. De eerste groep bestaat uit geordende, kristallijne structuren die fotonische kristallen genoemd worden. Ze zijn qua structuur een soort kunstmatig opaal en vertonen ook net zo'n mooie glans. Deze materialen hebben eigenschappen voor licht die analoog zijn aan de eigenschappen van elektronen in halfgeleidermaterialen. Licht van bepaalde golflengten (dus kleuren) kan zich in bepaalde richtingen niet voortplanten. Dit is een gevolg van interferentie van lichtgolven die veelvuldig verstrooid worden aan de regelmatige verandering van brekingsindex. De roosterafstanden van deze zogenaamde kristallen zijn van de orde van de golflengte van het licht. Als de variatie in brekingsindex groot genoeg is plant het licht zich zelfs in geen enkele richting meer voort. Het materiaal is dan ondoorzichtig voor licht geworden. Hier is een sterke analogie met het gedrag van elektronen in een halfgeleider. Daar houdt de beweging van elektronen op wanneer een bepaalde energiesprong te groot is, de 'bandgap'. Bij fotonische kristallen spreken natuurkundigen in dit geval van een volledige fotonische bandgap.
De tweede groep van fotonische materialen bestaat uit wanordelijke structuren, waarin licht verstrooid wordt zoals het licht van de koplampen van een auto in een mistbank. Het grote verschil tussen de mistbank en verstrooiende materialen is de afstand waarover men nog zicht heeft. Bij een dichte mist is dit ongeveer 50 meter, terwijl in fotonisch interessante materialen dit zicht beperkt is tot minder dan een 1 micrometer (oftewel meer dan 50 miljoen keer slechter zicht). Het zicht is dan zo kort geworden, dat licht zich nauwelijks over één golflengte (ook ongeveer 1 micrometer) kan voortplanten. Voor materialen die zo sterk fotonisch zijn, zal licht dan ook worden gelokaliseerd. Net als in het geval van de volledige fotonische bandgap kan licht zich niet meer voortplanten.
In de groep van professor Ad Lagendijk aan het Van der Waals-Zeeman Instituut van de Universiteit van Amsterdam doet men onderzoek aan zowel geordende als ongeordende fotonische materialen. Over het maken hiervan publiceerde deze groep al eerder in Science (Wijnhoven e.a., 7 augustus 1998 en Schuurmans e.a., 2 april 1999). De mate waarin het lukt om licht op te sluiten in deze fotonische materialen is nu gemeten in een aantal optische experimenten. De gebruikte materialen zijn 'luchtbolkristallen' die bestaan uit geordende luchtbolletjes in titaandioxide, 'colloïdale kristallen' bestaande uit geordende polystyreenbolletjes in water, en ongeordende sponzen van luchtporiën in galliumfosfide (GaP).
Het opsluiten van licht
Om vast te stellen in welke richtingen het licht zich niet meer kan voortplanten werden de luchtbolkristallen onderworpen aan hoekafhankelijke reflectiemetingen (Michiel Thijssen e.a., Physical Review Letters, 11 oktober 1999). Hierbij wordt de oriëntatie van het kristal gevarieerd en bij iedere oriëntatie bekeken welke golflengten erdoor gereflecteerd worden. Dit zijn immers precies die golflengten die zich niet in het kristal kunnen voortplanten. Het bleek dat een aantal golflengten in het rode deel van het spectrum zich in meer dan de helft van alle richtingen niet langer kon voortplanten. Dit betekent dat een ongekend grote beperking is opgelegd aan deze kleur licht. Toch kan het licht nog steeds niet volledig worden opgesloten: de kooi is pas half af. Men kan echter wel aantonen dat voor het sluiten van de rest van de kooi nog slechts een kleine toename nodig is van de variatie van de brekingsindex.
Wat gebeurt er nu precies met licht als dit zich niet meer kan voortplanten in een bepaalde richting? Genoemd werd al dat dit licht als het ware tot staan wordt gebracht en weer wordt gereflecteerd. Dit tot staan brengen werd nauwkeuriger bestudeerd met zeer korte lichtpulsen die door de colloïdale kristallen werden geschoten (Arnout Imhof e.a., Physical Review Letters, 11 oktober 1999). Ook deze lieten rode golflengten in bepaalde richtingen niet passeren. Ditmaal werd de golflengte echter zo gekozen dat het licht zich in de gekozen richting nog juist wel door het kristal kon bewegen, m.a.w. de golflengte was vlak buiten de bandgap. Door het gebruik van zeer korte laserpulsen (100 femtoseconde, ofwel 10 -13 seconde) kon nauwkeurig worden vastgesteld hoe lang het licht nodig heeft om door het kristal te reizen. Ook kon worden gemeten hoe de vorm van de puls verandert. Het bleek dat een lichtpuls langer onderweg was naarmate zijn golflengte dichter bij de bandgap ligt. Dit was door de theorie voorspeld, maar is nu ook echt gemeten: licht wordt door het fotonisch kristal steeds meer vertraagd en zelfs volledig stilgezet wanneer de golflengte de bandgap bereikt.
Om het bijzondere hiervan te onderstrepen kan men het als volgt formuleren. Stel men maakt de golflengte van een lichtpuls een beetje korter en raakt hierdoor verder van de bandgap verwijderd. De energie van de puls is dan toegenomen en zijn snelheid ook. Het lijkt dus net alsof de lichtpuls effectief een massa heeft gekregen. In werkelijkheid heeft licht geen massa, maar in het kristal zou men kunnen spreken van een effectieve massa. Deze effectieve massa is zelfs negatief wanneer men zich van de bandgap verwijdert door het verlengen van de golflengte. Voor elektronen in halfgeleiders is dit al lang geleden ontdekt, maar nu is aangetoond dat men licht zich op een soortgelijke manier kan laten gedragen.
Ook in ongeordende fotonische materialen is het mogelijk om licht op te sluiten. Dit werd onderzocht aan de sponzen van GaP (Frank Schuurmans e.a., Physical Review Letters, 13 september 1999). Deze verstrooien licht in alle richtingen en gedragen zich dus verschillend van de kristallen. Toch is het ook hier mogelijk om iets te leren over de voortplanting van het licht door het materiaal te beschijnen met een laser en te kijken naar dat deel van het licht dat er in omgekeerde richting weer uitverstrooid wordt. Door een interferentie-effect tussen verstrooide golven wordt hier altijd iets meer licht gemeten dan in de overige richtingen. Dit was ook het geval voor de GaP-sponzen. Men kan deze sponzen echter vullen met vloeistoffen van verschillende brekingsindex om zo de sterkte van de verstrooiing te variëren. Toen de spons zijn maximale verstrooiingssterkte werd gegeven door de poriën te vullen met lucht, bleek dat er precies in de teruggaande richting te weinig licht uit het materiaal kwam. Dit is een teken dat dit deel van het licht lange tijd in het materiaal gevangen is geweest. De meetresultaten wijzen in de richting van lokalisatie van licht.
Meer informatie bij:
Dr. A. Imhof, tel. (020) 525 56 46, e-mail imhof@phys.uva.nl
Dr. W. Vos, tel. (020) 525 63 83, e-mail wvos@phys.uva.nl
Drs. F. Schuurmans, tel. (020) 525 63 83, e-mail schuurma@phys.uva.nl