Vreemd gedrag van licht 'geflitst'
Onderzoekers van de Stichting FOM, het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica AMOLF in Amsterdam, de Universiteit Twente en de Universiteit van St. Andrews, Groot-Brittannië, zijn er in geslaagd licht te 'flitsen'. Zij hebben met een unieke microscoop licht in een fotonisch kristal gefotografeerd. Op deze manier maakten zij de vorm van de lichtgolven zichtbaar en konden ze de zogenaamde fotonische bandenstructuur - tot nog toe een theoretisch concept - voor het eerst meten. De onderzoekers publiceren hun resultaten in Physical Review Letters op 1 april aanstaande. Het is de onderzoekers eerder al gelukt licht te vangen in een fotonisch kristal en met dezelfde microscoop de beweging van de lichtpulsen door het kristal te volgen. De resultaten zullen naar verwachting leiden tot nieuwe concepten om het licht in een fotonisch kristal te manipuleren. Dit is van groot belang voor bijvoorbeeld het dirigeren van optische datastromen in de telecommunicatie.
Gedrag van golven Een golf laten doen wat je wilt, is lastig. Als je een stok met een dikte kleiner dan de golflengte in een vijver steekt, plooien de golven zich gewoon om de stok heen om daarna hun weg te vervolgen alsof er niets is gebeurd. Wanneer dezelfde golf op een kade botst, reflecteert hij, maar het blijft dezelfde golf. Dit verandert compleet als je een golf een periodieke verstoring opdringt. Zo worden de eigenschappen van golven van elektronen in bijvoorbeeld het silicium van een computerchip sterk bepaald doordat ze zich moeten schikken naar de regelmatige stapeling van de atomen in het kristalrooster van silicium.
Lichtgolven in een fotonisch kristal
Hetzelfde gebeurt met lichtgolven in een fotonisch kristal. Deze kunstmatige materialen bestaan uit hele kleine gaten in een halfgeleidermateriaal (silicium). De kleine gaten zijn periodiek gerangschikt op een schaal gelijk aan de golflengte van licht. In een dergelijk kristal moeten de lichtgolven zich voegen naar de opgelegde regelmatige structuur. Hierdoor veranderen de eigenschappen van het licht zoals de relatie tussen frequentie en golflengte dramatisch. In een gewoon materiaal is het verband tussen de frequentie van de lichtgolf aan de ene kant en de golflengte aan de andere kant simpelweg omgekeerd evenredig: maak je de frequentie tweemaal zo groot, dan wordt de golflengte tweemaal zo klein. Het verband tussen frequentie en golflengte, in vaktermen ook wel de dispersie genoemd, verandert totaal voor lichtgolven in een fotonisch kristal. Zo kan de periodiciteit er zelfs toe leiden dat bepaalde kleuren (frequenties) licht niet binnen kunnen dringen in het binnenste van het kristal.
Maar er verandert nog meer. Wanneer je een foto maakt van een gitaarsnaar nadat je hem lichtjes in trilling hebt gebracht zie je een ruimtelijke golf in de snaar. Dit is de ruimtelijke grondtoon. Geef je de snaar een enorme dreun dan krijg je boventonen. Deze klinken anders dan de grondtoon omdat ze een andere geluidsfrequentie hebben. Bij ieder van die boventonen hoort een ander golfpatroon: de ruimtelijke boventonen. Om zich in een fotonisch kristal te kunnen voortbewegen, moet de vorm van een lichtgolf zodanig veranderen dat hij op het rooster past. Het gevolg hiervan is dat de golf ruimtelijke boventonen krijgt. Het vreemde van een fotonisch kristal is dat, in tegenstelling tot de gitaarsnaar, deze ruimtelijke boventonen niet gepaard gaan met andere optische frequenties.
De combinatie van de dispersie aan de ene kant en de grondtoon plus al zijn boventonen aan de andere kant bepalen alle optische eigenschappen van een fotonisch kristal. Meestal doen wetenschappers alsof de dispersie plus grondtoon voldoende is. Zij berekenen deze en geven deze vervolgens weer in een zogeheten bandenstructuur waarin ze de frequentie uitzetten tegen één gedeeld door de golflengte. Maar eigenlijk heb je voor een begrip van het complexe gedrag van licht in een fotonisch kristal de echte vorm van de lichtgolven nodig: dus grondtoon plus boventonen.
Foto's van lichtgolven
Het concept bandenstructuur voor golven (van bijvoorbeeld licht, elektronen, geluid) bestaat al heel lang en is heel succesvol gebleken. Een bandenstructuur meten voor licht is echter zeer zelden vertoond en dan slechts heel beperkt. Het zou ontzettend makkelijk zijn als je, net als van een golf op een vijver, een foto van het licht zou kunnen maken. Henkjan Gersen (FOM), Jeroen Korterik (MESA+), Niek van Hulst (MESA+), Rob Engelen (MESA+ en FOM-AMOLF), Tim Karle (St. Andrews), Thomas Krauss (St. Andrews) en Kobus Kuipers (FOM-AMOLF) hebben een unieke microscoop gebruikt die licht 'flitst'. Zo kunnen zij voor het eerst dergelijke 'foto's' van licht maken. De onderzoekers verrichtten de metingen in tweedimensionale fotonische kristallen (zie figuur 1). In deze kunstmatige materialen hebben zij expres een rij gaten opgevuld. Hierdoor ontstaat een pad door het kristal. Alleen langs dit pad, ook wel lichtgeleider genoemd, mag het licht dat in het kristal verboden is, zich voortbewegen. Het kristal aan weerszijden zorgt dat het licht niet van het gebaande pad afwijkt. Toch 'voelt' het licht dat zich over het pad beweegt nog steeds de periodieke kristalstructuur ernaast: het licht beweegt effectief over een ééndimensionaal rooster.
Door nu 'foto's' (zie figuur 2) te maken van het licht in de lichtgeleider voor verschillende kleuren (frequenties), konden de onderzoekers voor het eerst een fotonische bandenstructuur meten (zie figuur 3). Tegelijk namen zij voor het eerst ook de ruimtelijke boventonen van de lichtgolven waar. Zo kunnen wetenschappers iets wat voorheen slechts een theoretisch concept was, nu echt meten. Hiermee legt dit onderzoeksteam het complexe gedrag van licht in deze belangrijke nanostructuren volledig bloot. De microscoop kan niet alleen 'foto's' maken, maar ook films van de beweging van het licht. Hierdoor kan het team niet alleen de bewegingsrichting van de golven waarnemen, maar ook de beweging van pakketjes licht (lichtpulsen). Dit beschreven de onderzoekers in een eerder artikel in Physical Review Letters.