Ultrasnelle kleurverandering van een nano-spiegelpaleis
Het is een team van onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) te Amsterdam en de Universiteit van Minnesota (VS) gelukt razendsnel de selectieve kleur van nano-spiegelpaleis - een zogeheten fotonisch 'band gap' kristal - te veranderen. Het succesvolle experiment van dr. Tijmen Euser en zijn collega's verschijnt binnenkort in de gedrukte versie van het Amerikaanse wetenschappelijke tijdschrift Journal of Applied Physics. De publicatie is online beschikbaar.
Het beheersen van de emissie en voortplanting van licht zijn belangrijke doelen in de natuurkunde, nanotechnologie en levenswetenschappen omdat licht, als drager van energie en informatie, zich met onvoorstelbare snelheid voortplant. De nieuwe discipline nanofotonica jaagt deze doelen na. In 1987 voorspelde de Amerikaanse onderzoeker Eli Yablonovitch dat licht theoretisch 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 als licht manipuleert. Experimenteel leidt dit tot vragen als: "Hoe kan je atomen zo manipuleren dat ze licht uitzenden als jij dat wilt" en "Hoe kan je fotonen laten propageren of zelfs stoppen zoals jij het wilt?".
Spiegelpaleis voor fotonen
Een fotonisch kristal is een sterk geordende nanostructuur die vele luchtbollen bevat (zie figuur 1). De luchtbollen hebben de typische doorsnede van de golflengte van licht. Licht van een bepaalde kleur dat in het fotonische kristal komt, wordt door de structuur in alle richtingen verstrooid. Het kristal werkt als een spiegelpaleis voor fotonen. Door interferentie1-effecten worden bepaalde kleuren volledig uitgesloten door het kristal en dus niet verstrooid. Het verboden kleurengebied noemt men de fotonische 'band gap'. Het uitsluiten van bepaalde kleuren leidt tot het bijzondere fenomeen dat een in het kristal ingebrachte lichtbron (bijvoorbeeld een atoom of quantum dot) geen licht kan uitzenden (zie figuur 2, links). De grootte van de luchtbollen en de brekingsindex2 bepalen welke kleur licht wel of niet in het kristal kan doordringen. Als een fotonisch kristal eenmaal is gemaakt, liggen deze eigenschappen vast.
Of toch niet…?
Als je wel in staat bent de band gap van een fotonisch kristal voor een korte tijd te veranderen, dan nemen de mogelijkheden voor een toepassing van de kristallen enorm toe. Je zou je kunnen voorstellen dat je dan met licht kunt schakelen. Voor toekomstige 'fotonische computerchips' is het van belang dat je de band gap zo snel kunt schakelen dat licht een ineens tot stilstand kan worden gebracht. Euser en zijn collega's hebben nu voor het eerst een supersnelle verandering van de kleur van een fotonisch band gap kristal experimenteel aangetoond. Figuur 2 illustreert een mogelijke toepassing van fotonisch schakelen (photonic switching): Door het fotonische kristal snel te schakelen kan de lichtbron in het kristal plotseling wel licht uitzenden wanneer jij dat wilt.
Om het fotonische kristal te schakelen wordt het met een korte laserpuls 'aangetikt'. Deze puls verandert kortstondig de eigenschappen van het silicium. Dit resulteert in een verandering van de optische eigenschappen van het fotonische kristal. Met een tweede korte laserpuls wordt de kleur van het geschakelde kristal gemeten.
Kleurverandering
De onderzoekers zagen dat de kleur van de fotonische band gap binnen 1 picoseconde3 blauwer wordt (zie figuur 3, links). Dit is snel genoeg om in potentie licht in trilholtes in het kristal te vangen. Nadat het kristal door de eerste laserpuls is geschakeld, is het in 20 picoseconde weer in de oorspronkelijke staat terug (zie figuur 3, rechts). De hele schakelcyclus verloopt zo snel dat de onderzoekers concluderen dat het mogelijk 10 maal sneller zou kunnen schakelen dan de snelste computers op dit moment.
De fotonische kristallen die Euser en zijn collega's gebruiken hebben eigenschappen die overeenkomen met de kleuren die in de moderne telecommunicatiemedia zoals glasfibers worden gebruikt. De resultaten van dit onderzoek zijn daarom van belang voor toepassingen, ook omdat de kristallen worden gemaakt op silicium, een materiaal dat in de computerindustrie veel wordt gebruikt en daardoor welbekend is.
Het ultrasnel schakelen van optische kristallen legt het fundament voor mogelijk binair schakelen van fotonen in plaats van de huidige elektronische schakelingen op silicium chips. Voordat men dat in de praktijk kan toepassen, dient men nog veel onderzoek te verrichten. Het huidige onderzoek richt zich op het perfectioneren van de structuren en de invloed van onvermijdelijke imperfecties van de fotonische kristallen. Ook doen de onderzoekers onderzoek naar het 'vangen en loslaten' van lichtpulsen in minuscule trilholtes. Hierbij is het van belang te vermelden dat Tijmen Euser, Philip Harding, Willem Vos (AMOLF) samen met Yoanna-Reine Nowicky-Bringuier en Jean-Michel Gérard van het CEA in Grenoble (Frankrijk), kortgeleden ook in staat zijn gebleken om fotonische trilholtes te schakelen. Deze resultaten zijn op 10 september gepubliceerd in het Amerikaanse wetenschappelijke tijdschrift Applied Physics Letters4.
Het onderzoeksteam
Dr. Tijmen Euser heeft zijn optische experimenten uitgevoerd op het FOM-Instituut AMOLF te Amsterdam. Hij promoveerde in maart 2007 bij prof. Willem Vos aan de Universiteit Twente. Tegenwoordig is Euser postdoc bij de Max Planck Researchgroep van de Universiteit Erlangen-Nuremberg in Duitsland.
Dr. Euser is bereikbaar via e-mail: t.euser@amolf.nl of per telefoon +49 (0)9131 687 73 20.
Prof. Willem Vos is groepsleider bij het Centrum voor Nanofotonica, FOM-Instituut AMOLF te Amsterdam. Hij is tevens parttime hoogleraar aan de Universiteit Twente (Complex Photonic Systems (COPS), MESA+ Instituut voor Nanotechnologie). Vos verricht al sinds 1993 onderzoek aan fotonische kristallen. Hij stelde het ultrasnel veranderen van fotonische kristallen voor en begeleidde de schakelexperimenten.
Prof. Vos is bereikbaar via e-mail: w.l.vos@amolf.nl, of per telefoon: +31 (0)20 608 12 34.
De fotonische band gap kristallen zijn gemaakt door de groep van prof. David J. Norris van het Department of Chemical Engineering and Materials Science, aan de University of Minnesota, in Minneapolis (VS), in nauwe samenwerking met de groep van prof. Albert Polman van het Centrum voor Nanofotonica, FOM-Instituut AMOLF te Amsterdam.
Referentie
Tijmen G. Euser, Hong Wei, Jeroen Kalkman, Yoonho Jun, Albert Polman, David J. Norris en Willem L. Vos, Ultrafast optical switching of three-dimensional Si inverse opal photonic band gap crystals
Journal of Applied Physics, volume 102 (14 september 2007).
Een preprint van de publicatie is beschikbaar online op: www.arxiv.org/abs/0705.4250.
Meer informatie
Meer informatie over fotonische kristallen is beschikbaar op: www.photonicbandgaps.com
Website van het AMOLF Instituut: www.amolf.nl
Website van de Norris group: www.cems.umn.edu/research/norris
Website van het Journal of Applied Physics: http://jap.aip.org/jap
1 Interferentie is de gelijktijdige werking van twee bewegingen die elkaar belemmeren of versterken, in dit geval van lichtgolfbewegingen.
2 De brekingsindex geeft aan hoe groot de vertraging van de lichtsnelheid is in een materiaal. Lucht heeft een brekingsindex (n) van 1. In silicium gaat het licht 3,5 maal langzamer (n= 3,5). Door dit grote verschil in lichtsnelheid treden er sterke spiegelingen op aan de vele oppervlakken binnen het kristal: het nano-spiegelpaleis.
3 Een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste seconde. Om enigszins grip op de extreem korte tijden te krijgen is het handig ze te vertalen naar afstanden: Licht reist met 300.000 km/s snel, ofwel 7,5 maal om de aarde in één seconde. De onderzoekers gebruiken laserpulsen van slechts 0,15 picoseconde. In 0,15 picoseconde komt het licht een halve haarbreedte (0.05 millimeter) verder.
4 referentie: Harding et al., Appl. Phys. Lett. 91, 111103 (2007).