Licht tot stilstand in fotonisch kristal

Fotonische kristallen
Licht dat zich gedraagt als een golf met een gigantische snelheid laat zich niet zomaar vangen. Tweedimensionale fotonische kristallen (figuur 1) kunnen licht echter in hoge mate beïnvloeden. Een tweedimensionaal fotonisch kristal bestaat 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. Hoe groter het verschil in brekingsindex in het fotonisch kristal, hoe extremer licht zich gedraagt in zo'n kristal. Licht van bepaalde kleuren 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'. Met behulp van zo'n bandkloof in een kristal kunnen onderzoekers het licht op ultieme wijze manipuleren.

In dit geval bestaat het fotonisch kristal uit een rangschikking op de nanometerschaal van hele kleine luchtgaten in de halfgeleider silicium. De afstand tussen de gaten is vierhonderd nanometer (400 x 10 -9 meter). De periodiciteit leidt ertoe dat bepaalde kleuren licht niet binnen kunnen dringen in het binnenste van het kristal. Door nu expres een rij gaten op te vullen ontstaat een pad door het kristal. Langs dit pad, ook wel lichtgeleider genoemd, mag het licht juist wel bewegen. De bandkloof van het kristal aan weerszijden zorgt dat het licht niet van het gebaande pad afwijkt. De onderzoekers laten zien dat zij licht juist in deze lichtgeleiders heel goed kunnen vangen en stilzetten. Eigenlijk is dit heel vreemd: aan de voor- en achterkant is de lichtgeleider volledig open; je zou zeggen dat het licht gemakkelijk zou kunnen ontsnappen. Toch lukt dit niet doordat het fotonisch kristal waar de lichtgeleider doorheen loopt het licht alsnog in zijn greep houdt.

Licht bespieden tijdens zijn beweging
De studie van het vangen van licht in een fotonische nanostructuur heeft iets tegen-intuïtiefs: terwijl onderzoekers het licht binnenin de structuur beïnvloeden, bekijken ze de nanostructuur van de buitenkant. Inzicht over hoe het licht zich binnenin die structuur gedraagt, verkrijgen wetenschappers door de metingen met computerberekeningen of theoretische modellen te vergelijken. Deze methodiek is in het verleden heel krachtig gebleken, maar soms komen berekening en meting niet overeen. Dan is het lastig om erachter te komen wat er is gebeurd. En soms zie je een gebeurtenis volledig over het hoofd. Om deze problemen te omzeilen is het dus veel beter om direct een kijkje te nemen hoe licht zich gedraagt in het binnenste van de structuur.

Henkjan Gersen (FOM), Jeroen Korterik (MESA+), Niek van Hulst (MESA+), Tim Karle (St. Andrews), Thomas Krauss (St. Andrews) en Kobus Kuipers (FOM-AMOLF) hebben een unieke microscoop gebruikt die op een ultrasnelle tijdschaal kan afbeelden hoe licht zich binnenin een structuur voortplant. Met deze microscoop kunnen ze het gedrag van zeer korte (~100 x 10 -15 seconden) lichtpulsen volgen. Voor de meeste lichtpulsen die in de structuur worden gelanceerd, blijkt dat ze uit elkaar vallen in nieuwe lichtpulsen, die vervolgens ieder met hun eigen snelheid hun weg vervolgen (zie figuur 2 en de eerste film). De fotonische nanostructuur remt de langzaamste van deze pulsen zelfs met een factor tien af, maar de lichtsnelheid is dan nog steeds ontzettend hoog.

Stilstaand licht
Voor één speciale kleur licht valt de gelanceerde puls in slechts twee delen uiteen (zie figuur 3 en de tweede film). Het ene deel reist voort langs de lichtgeleider. De ander maakt echter een pas op de plaats; het is onmogelijk om een beweging waar te nemen. De lichtpuls is gelokaliseerd en staat stil. Na een tijdje (3 x 10 -12 seconden) valt de gevangen lichtpuls uit elkaar. De onderzoekers hadden deze gebeurtenissen nooit kunnen waarnemen als zij de structuur slechts van de buitenkant hadden kunnen bestuderen.

In dit experiment brachten de onderzoekers licht met een golflengte van 1310 nanometer tot stilstand. Welke specifieke kleur licht stil blijft staan in het kristal hangt onder andere af van de eigenschappen van het kristal zoals de brekingsindex, de grootte van de luchtgaten, en de breedte van de lichtgeleider.

Nieuwe perspectieven
Het manipuleren van licht is van groot wetenschappelijk en industrieel belang. De waarneming opent perspectieven voor nieuwe toepassingen. De hoge mate van controle over de 'timing' van lichtpulsen is belangrijk om de almaar groeiende optische datastromen in de telecommunicatie in goede banen te leiden. Verder heeft licht, als het sterk wordt vertraagd, ook langer interactie met zijn omgeving. Dit kan leiden tot nieuwe lichtbronnen en optische schakelaars, maar ook tot de detectie van zeer lage concentraties (bio-) moleculen. De verwachting is dat deze fotonische nanostructuren van belang zullen zijn bij de volgende generatie optische chips en biosensoren.

De waarneming van stilstaand licht was de kroon op het onderzoek van Henkjan Gersen die zijn promotie in juni 2004 cum laude afsloot. Het vermogen om lokaal lichtflitsen in fotonische kristallen te volgen en stil te zetten vormt een cruciale doorbraak. Prof.dr. Kobus Kuipers zal deze doorbraak benutten in zijn onderzoeksprogramma 'Nonlinear optics at the nanoscale'.

Meer informatie bij prof.dr. Kobus Kuipers, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, telefoon (020) 608 12 34.

website: www.amolf.nl

Figuur 2 en 3 zijn afkomstig uit twee filmpjes. Deze treft u rechts boven in de pagina.
In film 1 (figuur 2) is de propagatie van een ultrakorte lichtpuls door een lichtgeleider in een tweedimensionaal fotonisch kristal te zien.
Tussen ieder filmbeeld zit een tijdsstap van 200 x 10 -15 seconden.

In film 2 (figuur 3) is het vangen van een ultrakorte lichtpuls door een lichtgeleider in een tweedimensionaal fotonisch kristal te zien.
Tussen ieder filmbeeld zit een tijdsstap van 200 x 10 -15 seconden