Langzaam licht maakt rare sprongen
Het lijkt paradoxaal, maar langzaam licht in nanostructuren kan telecommunicatie juist sneller maken. Met langzaam licht kunnen optische schakelingen compacter, energie-efficiënter en sneller worden gemaakt. Voorwaarde is wel dat alleen de snelheid van het licht mag veranderen. Het licht mag zich niet opeens heel anders gaan gedragen. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en de Universiteit van Yokohama in Japan hebben nu een duidelijke ondergrens gevonden voor de snelheid. Tot aan een vertraging van de lichtsnelheid met een factor 30 beweegt het licht nog volgens theoretische voorspellingen. Worden de vertragingen meer dan een factor 30, dan gedraagt het licht zich alsof het zich door een wanordelijk materiaal heen worstelt. Het plant zich in rare sprongen voort en wordt onbruikbaar voor telecommunicatie. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van 5 september 2008.
Hoewel licht iets ongrijpbaars lijkt in het dagelijks leven, kan het wel degelijk worden getemd. Zo beweegt het gros van de telecommunicatie- en televisiesignalen als licht dat is gevangen in glasvezelkabels. Een nog grotere controle over licht kan worden verkregen in zogenaamde fotonische kristallen. Een fotonisch kristal is een sterk geordende nanostructuur. 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 interferentie-effecten worden bepaalde kleuren volledig geweerd uit het kristal en dus niet verstrooid. Het gebied met die 'verboden' kleuren noemt men de fotonische 'band gap' (bandkloof). Doordat fotonische kristallen bepaalde kleuren op specifieke plekken kunnen verbieden, kunnen ze licht op de nanoschaal temmen.
Licht selecteren en afremmen
In figuur 1 staat een fotonisch kristal afgebeeld. In dit geval is het een dunne laag (200 nanometer) silicium geperforeerd door een zeshoekig rooster van luchtgaatjes. Eén rij heeft geen gaatjes. In deze rij kan licht dat in het kristal zelf verboden is, zich wél voortplanten: de rij doet dienst als golfgeleider. Het licht in de golfgeleider merkt de invloed van het omliggende kristal nog wel. Door deze wisselwerking kunnen sommige kleuren licht in de golfgeleider worden vertraagd, in theorie tot een snelheid van nul. Zo kunnen optische chips worden gemaakt met en voor langzaam licht.
Hoe langzamer licht zich voortplant, hoe groter de wisselwerking van dat licht is met zijn omgeving. Kleine veranderingen in de omgeving hebben dus ook grotere gevolgen voor langzaam licht dan voor sneller licht. In een langzaam-licht-chip zou het licht daardoor gemakkelijker (het kost minder energie) en ook sneller kunnen worden geschakeld. Hierdoor kan telecommunicatie sneller worden gemaakt. Dit voordeel heeft wel een nadeel: het licht wordt ook gevoeliger voor onbedoelde veranderingen in zijn omgeving. Daardoor is langzaam licht erg gevoelig voor onvolkomenheden in het fotonische kristal, zoals variaties in het gaatjespatroon, in de gaatjesgrootte of de ruwheid van de dunne laag.
Kritische ondergrens voor langzaam licht
Met een unieke zogeheten nabije-veld-microscoop laten Rob Engelen (FOM-AMOLF), Daisuke Mori (Yokohama), Toshihiko Baba (Yokohama) en Kobus Kuipers (FOM-AMOLF) in hun artikel zien dat de snelheid van het licht door onvolmaaktheden in de structuur nooit nul zal worden. Ze hebben de voortplanting van licht in een zogenaamde getjilpte golfgeleider bestudeerd. In deze structuur wordt de grootte van de gaatjes aan weerszijden van de golfgeleider langzaam groter in de voortplantingsrichting. Hierdoor wordt de snelheid van het licht naarmate het verder in de golfgeleider beweegt steeds lager, totdat de snelheid (theoretisch) nul wordt. In figuur 2a is een typische meting te zien. De grafiek (figuur 2b) toont een berekening van de snelheid van het licht als functie van de plaats: de snelheid begint relatief hoog en daalt vervolgens tot de snelheid op positie 230 nul is geworden. In de meting is te zien dat het licht zich tot positie ~180, waar de snelheid 10.000 km/s (dat is 1/30e van de lichtsnelheid in lucht = c/30) is, zich netjes gedraagt; het patroon is homogeen. Daarna breekt het lichtpatroon op en wordt het grillig; typisch voor lichtvoortplanting in een wanordelijk medium. Kleine imperfecties in de structuur zijn voor licht met een snelheid groter dan c/30 maar een kleine verstoring. Door de verhoogde wisselwerking tussen licht en de omgeving zijn dezelfde verstoringen voor langzamer licht voldoende om de lichtstroom danig te ontregelen. Het blijkt ook nog dat het langzame licht extra gemakkelijk weglekt uit de chip. Deze experimentele doorbraak maakt een nieuwe theoretische aanpak noodzakelijk.
De grenzen van nuttig langzaam licht
Omdat optische sensoren en nieuwe optische chips in de toekomst compacter, gevoeliger en energie-efficiënter gemaakt kunnen worden door gebruik te maken van langzaam licht, is het essentieel om hiervoor de grenzen van nuttig langzaam licht te kennen. Dit werk laat voor het eerst zien dat zulke grenzen bestaan. Gelukkig kan de energie-efficiëntie bij een snelheid van c/30 al worden verhoogd met een factor 100. Daarnaast kan deze grens verder omlaag worden gebracht door verbeterde fabricage van de nanostructuur van fotonische kristallen.
Meer informatie bij prof.dr. Kobus Kuipers, AMOLF, telefoon (020) 608 12 34.
Referentie
R.J.P. Engelen, D. Mori, T. Baba, and L. Kuipers, 'Two regimes of slow-light losses revealed by adiabatic reduction of group velocity', Physical Review Letters van 5 september 2008.