Nanodraad houdt licht gevangen
Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en het FOM-Instituut voor Atoom-en Molecuulfysica AMOLF in Amsterdam hebben licht gevangen in extreem dunne zinkoxidedraden. Lichtgolven passen normaal gesproken niet in ruimtes die kleiner zijn dan hun eigen golflengte, maar door de lichtgolven te binden aan elektronen in het materiaal zorgden de onderzoekers dat het licht niet uit de draden lekt. De gebonden licht-elektronen zijn zo stevig dat ze zelfs bij kamertemperatuur nog licht in het materiaal weten te houden. Dit opent perspectieven voor toepassingen als kleinere optische circuits, zuinigere lasers en sensoren voor labs on a chip. Het is de eerste keer dat het mechanisme achter de lichtgeleiding door zinkoxidenanodraden is opgehelderd. De onderzoekers publiceren hun resultaat op 6 oktober in het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters.
Een groot probleem bij steeds kleinere optische apparatuur is het gebruik van componenten net zo groot als of kleiner dan de golflengte van het gebruikte licht. Zichtbaar licht heeft een golflengte tussen 400 en 700 nanometer (1 nanometer is 1 miljardste meter); onderdelen van moderne computerchips zijn maar 90 nanometer groot. Licht past alleen in een onderdeel dat groter is dan zijn golflengte en barst uit te krappe structuren: dit noemt men de zogenaamde diffractielimiet. Lichtlekkage veroorzaakt signaalverlies en ongewenste wisselwerking tussen nabije onderdelen. Veel wetenschappers onderzoeken daarom hoe ze licht kunnen vangen in apparaten die kleiner zijn dan de gebruikte golflengte.
De diffractielimiet is te omzeilen door lichtgolven te koppelen aan elektronen in het materiaal. Zo ontstaan polaritonen, samengestelde deeltjes die net zo aan het materiaal vastzitten als elektronen, maar zo makkelijk reizen als lichtgolven. Populaire polaritonen zijn de plasmon-polaritonen, waarin het licht vastzit aan elektronengolven aan het oppervlak van metalen. Opgesloten in polaritonen kan licht moeilijker aan het materiaal ontsnappen en is het zelfs om hoekjes te leiden. Het team uit Utrecht en Amsterdam toont nu aan dat vrijgemaakte elektronen in nanodraden van halfgeleidermateriaal licht sterk binden. Zulke halfgeleiderdraden zijn ook bruikbaar als onderdeel van lichtbronnen op de nanoschaal, zoals nano-LED’s en nanolasers. Met puur metalen structuren lukt het binden van licht niet.
Opsluiting opgehelderd
Wetenschappers weten al langer dat licht in nanodraden van zinkoxide over lange afstanden en door scherpe bochten reist, zelfs als de draad tot vier keer zo dun is als de golflengte van het licht. 'Wij hebben laten zien hoe zinkoxidenanodraden dat voor elkaar spelen', vertelt de Utrechtse FOM-promovendus Bert van Vugt. Het team vond sporen van exciton-polaritonen in het zinkoxide. Excitonen zijn paren van elektronen en gaten in de elektronenzee. Zulke paren kunnen binnenkomend licht opnemen en een tijdje vasthouden voor ze het weer uitzenden.
Om exciton-polaritonen in zinkoxide aan te tonen gebruikten Van Vugt en zijn collega's nieuwe technieken. Traditionele manieren om het samenspel van licht en materie te meten zijn licht in een materiaal sturen en dan de reflectie, absorptie of transmissie te bekijken met spectroscopie. Dat is praktisch gezien onuitvoerbaar met een draad van honderden nanometers dik en een lengte tot 100 micrometer. In plaats daarvan bewogen de onderzoekers een laser- of een elektronenbundel over de nanodraad en bekeken zij de hoeveelheid en kleur van het uitgestraalde licht. De wetenschappers vonden twee energiegebieden waarin de draad veel efficiënter energie opnam aan de uiteinden dan in het midden. 'Dit experiment laat alleen zien op welke plaats de respons van de totale draad het grootst is', vertelt Van Vugt. 'Waar het licht eruit komt zien we nu niet, maar met andere experimenten kun je dat wel onderzoeken; voornamelijk bij de uiteindes.' Draden van zinkoxide kunnen licht dus over hun hele lengte gevangen houden en vervoeren.
Wereldrecord
Van Vugt: 'De binding tussen lichtgolf en exciton in zinkoxide is zó sterk, dat ze bij kamertemperatuur intact blijft. We hebben onze draden energie gevoerd met lasers en zelfs tot zo'n 300 graden Celsius bleven ze licht binden. Dat is echt een wereldrecord, want in eerder onderzoek met een materiaal als galliumarsenide vielen de polaritonen al boven –150 graden Celsius uiteen, waarmee de opsluiting ophoudt!'
Het onderzoek werpt nieuw licht op de lichtgeleiding door nanodraden en is daarom belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe optische chips. Verder maakt het ragfijne gassensoren, labs-on-a-chip en misschien zelfs een nieuwe soort lasers mogelijk. 'Er is voorspeld dat je van materialen met zo'n sterke binding tussen lichtgolf en exciton een efficiëntere laser kunt bouwen', zegt Van Vugt. In een laserbundel zijn de lichtgolven coherent: ze lopen in de pas. 'Onder de juiste condities kun je ook de exciton-polaritonen in de pas laten lopen, en zal hun uitgezonden licht ook coherent zijn. Dit geldt al bij een paar exciton-polaritonen. In de klassieke populatie-inversie-laser moet je eerst miljarden atomen energie voeren voor ze gelijkgeschakeld laserlicht produceren.
In de film (avi-bestand) is een nanodraad te zien die energie opneemt. Te zien is waar op de draad de verschillende golflengten van het uitgezonden licht aangeslagen kunnen worden. Om ultraviolet licht uit te zenden en vast te houden kan de draad het beste aan de uiteinden worden aangeslagen terwijl voor de emissie van groen licht de draad overal even efficiënt aangeslagen kan worden.
Het artikel is getiteld 'Exciton-Polaritons Confined in a ZnO Nanowire Cavity', auteurs zijn L.K. van Vugt, S. Rühle, P. Ravindran, H.C. Gerritsen, L. Kuipers en D. Vanmaekelbergh. Het verschijnt op 6 oktober 2006 in Physical Review Letters 97 No.14.
Meer informatie is te verkrijgen bij drs. Bert van Vugt, Universiteit Utrecht, telefoon: (030) 253 22 14 en prof.dr. Daniël Vanmaekelbergh, Universiteit Utrecht, telefoon (030) 253 22 18.