Polarisatie van licht sturen met metalen nanostructuur
Wetenschappers van de Universiteit Twente en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) zijn erin geslaagd om de polarisatie van het licht dat één enkel molecuul uitzendt, actief te controleren. Zij kunnen de polarisatie, ofwel de richting waarin het elektrische veld in een lichtgolf trilt, naar believen draaien. Hun methode en het experimentele bewijs staat in het februarinummer van Nano Letters. Gemanipuleerde polarisatie van licht kan een techniek worden om optische communicatie te beveiligen.
Licht is een golf waarin het elektrische veld in een bepaalde richting trilt. De richting van deze trilling wordt ook wel de polarisatie van het licht genoemd. Zo is de polaroid zonnebril gebaseerd op het feit dat licht 'gepolariseerd' is. Zo'n bril houdt bijvoorbeeld specifiek het vervelende, door een wegdek gereflecteerde licht tegen. Dat is voornamelijk horizontaal gepolariseerd en het tegenhouden van die polarisatierichting is aangenaam voor de automobilist en beter voor de verkeersveiligheid. Sinds enkele jaren werken wetenschappers hard aan nieuwe manieren van optische communicatie die niet kunnen worden afgeluisterd. Ook hier wordt direct gebruik gemaakt van de polarisatie van licht.
De polarisatie van licht wordt in eerste instantie bepaald door de aard van de lichtbron. Zo is het licht van een gloeilamp ongepolariseerd: er is geen voorkeursrichting voor de trilling van het elektrische veld. Bij andere lichtbronnen is er wel een voorkeursrichting: laserlicht is sterk gepolariseerd en deze polarisatie ligt vast. Zo ligt ook de polarisatie van licht uitgezonden door één enkel molecuul vast: de geometrische oriëntatie - vorm en stand in de ruimte - van het molecuul bepaalt die polarisatie. Idealiter zou je deze polarisatie actief willen kunnen beïnvloeden. De gemakkelijkste manier is het licht dat al is uitgezonden door het molecuul door een polaroid te sturen om zo de polarisatie te kunnen kiezen. Dit heeft echter een groot nadeel. Als de geometrie van het molecuul niet goed overeenkomt met de oriëntatie van de polaroid, gaat het overgrote deel van de energie die het molecuul uitzendt verloren. In andere woorden: het overgrote deel van de door het molecuul uitgezonden fotonen (lichtdeeltjes) wordt geblokkeerd.
Actieve controle op nanoschaal
Wetenschappers van de Universiteit Twente en AMOLF hebben nu een methode bedacht waarmee ze van tevoren actief kunnen sturen wat de polarisatie is van het licht dat één enkel molecuul zal gaan uitzenden. Terwijl dit enkele molecuul in een polymeerfilm is geïmmobiliseerd en dus niet van oriëntatie kan veranderen, kunnen ze desgewenst voor ieder afzonderlijk uitgezonden foton de polarisatie instellen. De methode maakt gebruik van het feit dat een metalen object in de buurt van een lichtgevend molecuul een grote invloed kan hebben op het stralingsgedrag van dat molecuul. Door de positie van het metalen object ten opzichte van het molecuul te veranderen, kan de polarisatie van de fotonen die het molecuul uitzendt worden ingesteld. 'In de buurt van een lichtgevend molecuul' betekent in dit geval een afstand van slechts enkele nanometers.
De kunst is dus om het metalen object gecontroleerd op enkele nanometers van het molecuul te houden, maar toch de positie ervan te kunnen veranderen. Hiertoe gebruiken de onderzoekers een glasfiber probe met een aluminium coating, die ze op enkele nanometers afstand van het molecuul kunnen positioneren door middel van een terugkoppelingslus.
Tijdens de experimenten wordt telkens naar het licht gekeken dat wordt uitgezonden door één molecuul. Hiervan wordt de polarisatie gemeten. Door nu de positie van het metalen nano-object ten opzichte van het molecuul te veranderen, kan de uitgezonden polarisatie worden gestuurd. Het blijkt dat de invloed van het metaal beperkt is tot vlak bij het molecuul: als de afstand tot het molecuul met slechts 30 nanometer toeneemt is de invloed op de polarisatie verdwenen.
De aangetoonde controle over de polarisatie van fotonen uitgezonden door één enkel molecuul opent nieuwe wegen om informatie zo te versleutelen - door de fotonen ieder een eigen gecontroleerde polarisatie te geven - dat de communicatie niet meer kan worden afgeluisterd.
Meer informatie bij prof.dr. L. (Kobus) Kuipers, telefoon (020) 608 12 34 of ir. Robert Moerland, telefoon (053) 489 21 46.
Referentie
Het artikel is getiteld: 'Reversible Polarization Control of Single Photon Emission'; het staat in Nano Letters, februari 2007. De auteurs zijn Robert Moerland (FOM-promovendus, MESA+, Universiteit Twente), Tim Taminiau (ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Barcelon), Lukas Novotny (The Institute of Optics, University of Rochester, Rochester (NY)), Niek van Hulst (ICFO) en Kobus Kuipers (FOM-AMOLF).