Controle over het ontstaan van licht in fotonische kristallen
Elementaire quantummechanica voorspelt dat een aangeslagen atoom na een gemiddelde tijd - de levensduur - spontaan een lichtdeeltje uitzendt in een willekeurige richting. Niet alleen het atoom zelf maar ook zijn omgeving bepaalt het tijdstip en de richting van lichtemissie. In 1987 voorspelde de Amerikaanse onderzoeker Eli Yablonovitch op grond van theoretische overwegingen dat emissie zelfs geheel kan worden gecontroleerd in speciale nanostructuren, bekend als fotonische kristallen. Deze voorspelling vormde het startschot voor wereldwijd onderzoek naar dergelijke structuren waarvan onderzoekers verwachten dat ze bouwstenen zullen vormen van optische 'chips' waarmee men informatie in de vorm van licht manipuleert. Fysici en chemici van de Stichting FOM, de Universiteit Twente en de Universiteit Utrecht zijn er als eersten in geslaagd om de emissie van licht in zowel tijd als richting te controleren door gebruik te maken van speciaal gemaakte 'kunstmatige atomen' als lichtbronnen in fotonische kristallen. Zij verwachten dat de resultaten belangrijke toepassingen zullen hebben in efficiënte miniatuurlasers en LEDs, zonnecellen en op lange termijn in quantumcomputers. Peter Lodahl en collega's publiceren hun bevindingen op 5 augustus 2004 in Nature.
Spontane emissie
De wisselwerking tussen licht en materie is een belangrijk proces in de natuur en speelt een grote rol in bijvoorbeeld de levenscyclus van planten. Een atoom (of molecuul) kan een lichtdeeltje, foton geheten, met een specifieke energie opnemen. Het atoom in kwestie heet dan 'aangeslagen'; het is in een hogere energietoestand gekomen. Door spontaan en in willekeurige richting een foton uit te zenden keert het atoom terug naar de grondtoestand. Dit noemen wetenschappers spontane emissie. Het uitzenden van het foton is een quantummechanisch kansproces, dat evenredig is aan de dichtheid van zogenaamde vacuümfluctuaties. Deze alomtegenwoordige vacuümfluctuaties zijn een quantummechanische ruis die de aandrijving vormen voor allerlei fundamentele processen, zoals het spontaan uitzenden van licht door atomen. Vacuümfluctuaties zijn storend voor de werking van lasers, omdat je in een laser niet wilt dat atomen energie spontaan in willekeurige richtingen uitzenden. Ook verstoren deze fluctuaties het bewerken van quantuminformatie voor bijvoorbeeld de toekomstige quantumcomputer.
Deze processen kun je manipuleren zodra je de vacuümfluctuaties in bedwang hebt. Wereldwijd onderzoeken wetenschappers het 'temmen' van vacuümfluctuaties. Dit onderzoek leidt al tot de ontwikkeling van steeds kleinere laserbronnen. In 1987 voorspelde de Amerikaanse onderzoeker Eli Yablonovitch dat spontane emissie geheel kan worden gecontroleerd door de atomen te plaatsen in zogenaamde fotonische kristallen met een fotonische bandkloof.
Fotonische kristallen
Fotonische kristallen bestaan uit twee regelmatig geordende materialen met een verschillende brekingsindex. Deze brekingsindex bepaalt hoe snel licht zich door het materiaal voortbeweegt, en veroorzaakt de buiging van licht in lenzen en prisma's. De brekingsindex in fotonische kristallen varieert op een lengteschaal gelijk aan de golflengte van licht. De gewenste lengteschaal is ongeveer vijfhonderd nanometer voor zichtbaar licht. Dat is minder dan een duizendste millimeter, maar ook tienduizend keer groter dan de afmetingen van atomen (zie ook Lichtbronnen in fotonische kristallen getemd).
Hoe groter het verschil in brekingsindex in het fotonische kristal, hoe extremer licht zich gedraagt in zo'n kristal. Licht van bepaalde golflengten (bepaalde kleuren dus) kan zich in bepaalde richtingen helemaal niet voortbewegen. Wanneer licht in geen enkele richting meer kan bewegen, dan is er sprake van een 'fotonische bandkloof'. In zo'n bandkloof zijn de vacuümfluctuaties onderdrukt. Voor sommige andere golflengtes die niet in de bandkloof vallen, stimuleert het fotonische kristal de vacuümfluctuaties juist. Als het dus lukt om een bandkloof in een kristal te verwezenlijken, kunnen onderzoekers het licht op ultieme wijze manipuleren.
Kunstmatige atomen als lichtbronnen
Om licht te manipuleren hebben de Twentse en Utrechtse onderzoekers* fotonische kristallen gemaakt van titania (het materiaal dat witte verf zijn kleur geeft), waarin ze een periodieke structuur van luchtbollen hebben aangebracht (figuur 1). Deze kristallen hebben afmetingen van 2 bij 2 bij 0,3 millimeter en bestaan uit duizenden luchtbollen in elke richting. De roosterafstanden tussen de luchtbollen zijn in verschillende kristallen gevarieerd tussen de 240 en 650 nanometer. In de kristallen zijn vervolgens doelbewust colloïdale deeltjes gebracht. Deze colloïdale deeltjes zijn gemaakt van de halfgeleider cadmiumselenide en zijn gemiddeld 4,5 nanometer groot. Ze nestelen zich op de oppervlakken van titania in de luchtbollen in een concentratie van minder dan tien per luchtbol. De deeltjes gedragen zich als atomen en worden daarom quantum dots of 'kunstmatige atomen' genoemd.
In optische experimenten slaan de onderzoekers de kunstmatige atomen met een korte optische puls van een laser aan. Vervolgens meten ze hoe lang het duurt totdat de kunstmatige atomen spontaan fotonen uitzenden en in welke richting deze bewegen. De kunstmatige atomen werken dus als miniatuur lichtbronnen in de fotonische kristallen en stellen de onderzoekers in staat om heel precies te meten hoe de fotonische kristallen de levensduur van spontane emissie beïnvloeden.
* in Twente FOM-postdoc Peter Lodahl , FOM-promovendus Ivan Nikolaev, afstudeerstudenten Arie Irman en Karin Overgaag, en hoogleraar Willem Vos (allen verbonden aan de groep Complex Photonic Systems (COPS), Faculteit Technische Natuurkunde, en het MESA+ Research Instituut van de Universiteit Twente) en in Utrecht NWO-promovendus Floris van Driel en hoogleraar Daniël Vanmaekelbergh (beiden verbonden aan het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht).
Voorspelling voor het eerst bevestigd
Uit de metingen (zie figuur 2) blijkt nu dat bij fotonische kristallen met een roosterafstand van 420 nanometer de levensduur van de spontane emissie van de kunstmatige atomen 9,6 nanoseconde is en bij 500 nanometer 19,3 nanoseconde. Ter vergelijking, de levensduur van kunstmatige atomen in een niet-fotonisch referentiekristal is 12,4 nanoseconde. Deze resultaten laten zien dat het mogelijk is de levensduur van spontane emissie te verkorten of te verlengen door middel van het fotonisch kristal, in overeenstemming met theoretische voorspellingen. Het verschil tussen de langste en de kortste tijd is zelfs een factor twee. De controle met fotonische kristallen over de levensduur van spontane emissie kan symbolisch worden gevisualiseerd als een klok in een fotonisch kristal (figuur 3). Het is opmerkelijk dat de onderzoekers zo het ontstaan van licht kunnen controleren voor veel verschillende golflengtes tegelijk. Bestaande technieken verlengen of verkorten de levensduur van spontane emissie slechts voor een zeer beperkt aantal golflengtes.
Lichtbronnetjes leveren meer licht en werken overal
De levensduur heeft gevolgen voor de efficiëntie van de lichtbronnen in het kristal, die lager is als een aangeslagen lichtbron zijn energie afstaat in de vorm van warmte in plaats van licht. De maat voor de efficiëntie is het aantal fotonen dat de lichtbron uitzendt gedeeld door het aantal keren dat deze wordt aangeslagen. Een verhoogde emissie veroorzaakt de waargenomen korte levensduur. Dit betekent dat de efficiëntie van een lichtbron in het kristal is verhoogd: elke laserpuls die de lichtbronnen aanslaat, levert dus meer fotonen op dan wanneer de levensduur langer is.
Ook blijkt uit de experimenten dat de emissie van de lichtbronnen sterk gericht is. Dit betekent dat een lichtbron niet alleen efficiënt is, maar ook directioneel, waardoor de lichtopbrengst nog verder toeneemt. Daarmee zijn lichtbronnen in fotonische kristallen interessant voor diverse toepassingen als microlasers en LEDs (bijvoorbeeld in displays) en bronnen die fotonen één voor één uitzenden (bijvoorbeeld in de bewerking van quantuminformatie). De metingen laten ook zien dat kunstmatige atomen overal in het volume van de fotonische kristallen de gewenste werking leveren, terwijl eerdere experimenten met trilholtes zo'n werking slechts in een veel kleiner volume vertonen. Dit is gunstig voor mogelijke bulktoepassingen van fotonische kristallen in zonnecellen.
Meer informatie bij dr. Peter Lodahl, Universiteit Twente, telefoon: (053) 489 53 93 of (053) 489 68 34 en prof.dr. Willem Vos, Universiteit Twente, telefoon: (053) 489 53 88 of (053) 489 68 26.