Nieuwe microscoop bepaalt hoe snel moleculen licht uitzenden
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben een nieuwe microscoop gebouwd waarmee ze kunnen vastleggen, en zelfs kunnen controleren, hoe snel een molecuul een foton (lichtdeeltje) uitzendt. Het meten doen ze door lichtbronnen met een nauwkeurigheid van enkele nanometers door heel kleine optische structuren te bewegen. Door de lichtbron op specifieke plekken in de structuren te plaatsen kunnen ze ook beïnvloeden hoe snel het licht uitgezonden wordt. Deze doorbraak is van belang voor vele toepassingen, van kleine optische sensoren en optische computer chips tot quantum-informatietechnologie. Het resultaat verscheen 16 september in het prestigieuze tijdschrift Physical Review Letters.
Hoe ontstaat een foton
Lichtbronnen zijn van enorm belang in ons leven. Denk aan dagelijkse verlichting, maar ook bijvoorbeeld razendsnel dataverkeer door optische fibers. Onderzoekers willen daarom precies begrijpen hoe licht ontstaat en hoe ze dat kunnen beïnvloeden. Een molecuul dat 'geladen' is met een energiepakketje kan zijn energie na een tijd uitzenden als een lichtdeeltje. Hoe lang het molecuul erover doet voor het licht verschijnt – de 'levensduur' – is niet alleen afhankelijk van het molecuul, maar ook van zijn omgeving. Dus door de omgeving aan te passen, kunnen onderzoekers bepalen wanneer het licht wordt uitgezonden. Ze moeten hiervoor wel ultrakleine structuren ontwerpen, kleiner dan 1000 nanometer, ofwel 1% van de dikte van een haar.
Landkaart
Zo'n ultrakleine fotonische structuur kun je in de praktijk alleen toepassen als de lichtbron precies op de juiste plaats gezet kan worden. FOM-oio Martin Frimmer heeft een nieuwe experimentele opstelling gebouwd waarmee bronnen zeer precies - op enkele nanometers nauwkeurig - verplaatst kunnen worden. De onderzoekers lijmen een ultrakleine lichtbron aan het uiteinde van een zeer spitse naald. Ze bewegen de naald door de fotonische omgeving en meten voor elke positie de levensduur. Zo maken de onderzoekers een 'landkaart' die precies vertelt waar de fotonische structuur de levensduur sterk verandert, en waar niet. Met de landkaart kunnen de onderzoekers daarna de lichtgevende moleculen precies daar plaatsen waar de eigenschappen het beste zijn.
Metaaldraad
De onderzoekers laten met hun techniek zien dat lichtbronnen hun foton ten minste twee maal sneller uitzenden wanneer de bron vlakbij het uiteinde van een kleine metaaldraad gehouden wordt. Bovendien laten ze zien dat als de lichtbron bij de draad geparkeerd is, de meeste uitgezonden fotonen opgeslokt worden door de draad, die ze vervolgens geleidt. Ongeveer zoals een optische fiber video-streams de huiskamer in leidt, maar dan 1000x kleiner! De fotonische structuren kunnen in de toekomst gebruikt worden om LED's efficiënter te maken en om lichtbronnen te maken voor snelle en veilige datacommunicatie.
Contact
Martin Frimmer
Dr. Femius Koenderink
Tel: (020) 754 71 00
Referentie
Martin Frimmer, Yuntian Chen, A. Femius Koenderink
Scanning emitter lifetime imaging microscopy for spontaneous emission control
Phys. Rev. Lett. 107, 123602 (2011)