Lichtbronnen in fotonische kristallen getemd

  Het opnemen en uitzenden van licht is essentieel in de natuur en speelt een grote rol in bijvoorbeeld de levenscyclus van planten. In het belangrijke proces van spontane emissie valt een molecuul dat aangeslagen is in een toestand van hogere energie, spontaan terug in de grondtoestand onder het uitzenden van een foton (een quantum lichtenergie). Het uitzenden van het foton is een kansproces, dat gekoppeld is aan de dichtheid van zogenaamde vacuümfluctuaties. Deze alomtegenwoordige fluctuaties zijn een quantummechanische ruis die de aandrijving is voor allerlei fundamentele processen, waaronder het uitzenden van licht door atomen en moleculen. Al deze processen kun je manipuleren zodra je de vacuümfluctuaties in bedwang hebt. Spontane emissie wordt vaak beschouwd als storend voor de werking van lasers, omdat je bij lasers zoveel mogelijk gestimuleerde emissie beoogt en niet wil dat energie spontaan in willekeurige richtingen wordt uitgezonden. Het 'temmen' van spontane emissie leidt al tot de ontwikkeling van steeds kleinere laserbronnen. Ongeveer vijftien jaar geleden is door Amerikaanse onderzoekers voorspeld dat spontane emissie geheel kan worden gecontroleerd door de moleculen (of atomen) te plaatsen in zogenaamde fotonische materialen met een fotonische bandkloof.

Licht buitengesloten
Fotonische materialen zijn materialen waarvan de brekingsindex varieert op lengteschalen gelijk aan de golflengte van licht. De brekingsindex van een materiaal bepaalt hoe snel licht zich erdoorheen voortplant, en veroorzaakt de buiging van licht in lenzen en prisma's. De gewenste lengteschaal is ongeveer een halve micrometer voor zichtbaar licht, ofwel minder dan een duizendste millimeter. Omdat atomen nog eens duizend tot tienduizend keer kleiner zijn, zijn fotonische materialen opgebouwd uit twee fijn verdeelde stoffen. Hoe groter het verschil in brekingsindex tussen die stoffen, hoe ongebruikelijker licht zich gedraagt in zo'n materiaal. Onderzoek naar dergelijke materialen neemt de laatste jaren sterk toe, zowel vanwege de nieuwe fundamentele aspecten als de mogelijke toepassingen.

De eigenschappen van licht in geordende 'fotonische kristallen' lijken op de eigenschappen van elektronen in halfgeleiderkristallen zoals silicium. Licht van sommige golflengten (dus kleuren) kan zich in bepaalde richtingen helemaal niet voortplanten. Dit is een gevolg van interferentie van lichtgolven die veelvuldig verstrooid worden aan de opeenvolgende fotonische kristalvlakken. Als de variatie van de brekingsindex groot genoeg is, planten sommige kleuren licht zich zelfs in geen enkele richting meer voort. Dit verschijnsel heet 'fotonische bandkloof'. Hier is een sterke analogie met het gedrag van elektronen in een halfgeleider. Hierin is de voortbeweging verboden voor elektronen met bepaalde bewegingsenergieën (te vergelijken met kleuren voor licht) in de zogenoemde bandkloof, waaraan elektronische chips hun functie ontlenen. Een fotonische bandkloof is een eerste mogelijke stap op weg naar een computer op basis van licht, omdat de mogelijkheid ontstaat licht te schakelen met 'enen' en 'nullen'. Tot nu toe is echter niemand erin geslaagd een materiaal met een bandkloof voor licht te maken.

Binnenin een fotonisch kristal
Zo'n materiaal is niet alleen ondoorzichtig voor licht van buiten; de interessante dingen gebeuren binnenin. Zo zijn we gewend dat aangeslagen atomen en moleculen licht van een hele specifieke kleur uitzenden, zoals het oranje van natriumlampen langs de snelweg. In een fotonische bandkloof kunnen ze echter zo'n kleur helemaal niet meer uitzenden.

De onderzoekers hebben fotonische kristallen bestudeerd van regelmatige gestapelde bolletjes lucht gevat in titaandioxide (het materiaal waaraan verf zijn witheid ontleent). De luchtbolkristallen worden gemaakt door een geordende stapeling van hele kleine polystyreenbolletjes als 'mal' te gebruiken. Door de ruimte tussen de bollen op te vullen en daarna het polystyreen te verbranden blijft een kristal van luchtbollen over. Voor sommige kleuren is meer dan de helft van alle richtingen verboden. Je zou dan ook verwachten dat een aangeslagen atoom of molecuul in zo'n kristal twee keer zo weinig fotonen kan uitzenden, omdat er twee keer minder mogelijkheden zijn waarop het foton weg kan. Om dit te meten hebben de onderzoekers lichtgevende moleculen in de luchtholtes van hun kristallen ingebouwd, door ze heel even in een verdunde oplossing van deze moleculen onder te dompelen en de kristallen vervolgens uit te spoelen en te drogen. Om er zeker van te zijn dat de lichtbronnen alleen binnenin zaten, zijn de lichtbronnen in de eerste kristallagen met een intense laserbundel weggebrand. Door nu de hoeveelheid uitgestraald licht van de overgebleven moleculen in zo'n luchtbolkristal te vergelijken met het uitgestraalde vermogen in een niet-fotonisch systeem, hebben de onderzoekers aangetoond dat lichtbronnen zelfs tot wel vijf keer minder licht uitstralen wanneer ze opgesloten zitten in de luchtbolkristallen.