AMOLF-onderzoekers spieken naar de vergeten component van licht
Natuurkundigen van FOM-instituut AMOLF hebben voor het eerst tegelijkertijd de elektrische én magnetische velden van licht gemeten. Met een dergelijke meting kunnen wetenschappers het gedrag van licht in nano-gestructureerde metamaterialen beter begrijpen – bijvoorbeeld in het materiaal waarvan onzichtbaarheidsmantels kunnen worden gemaakt. De AMOLF-onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 15 december 2013 in Nature Photonics.
Licht bestaat uit zowel elektrische als magnetische velden, die met een frequentie van 300 biljoen keer per seconde trillen. Metingen van het lokale elektrische veld van licht hebben de laatste twintig jaar ons begrip van het gedrag van licht in en om nanomaterialen enorm vooruit gestuwd. Recent zijn echter metamaterialen ontwikkeld die fascinerende effecten mogelijk maken: zij kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in een onzichtbaarheidsmantel of in lenzen met superhoge resoluties. Deze effecten komen voort uit de wisselwerking tussen het materiaal met zowel het elektrische als het magnetische veld van licht. Daarom kunnen onderzoekers niet langer de magnetische component negeren.
Twee velden in een klap
Om beide velden tegelijkertijd te meten, gebruiken de AMOLF-onderzoekers een zeer kleine naald waarin een optische vezel zit van slechts 200 nanometer (200 miljardsten van een meter) breed. Om de vezel zit een dun laagje aluminium. De optische vezel leidt een klein deel van het licht onder de naald naar een detector. Door de naald in een vlak boven een object te bewegen, vormt het apparaat een beeld van de verdeling van het licht boven het object.
Tot voor kort werd aangenomen dat een dergelijke naald alleen het elektrische veld waarneemt. Recentelijk ontstond daar echter controverse over, toen verschillende wetenschappers opperden dat de naald in plaats daarvan het magnetisch veld registreert. Om een einde te maken aan de onduidelijkheid, mat het AMOLF-team de lichtverdeling boven een fotonisch kristal.
Een dergelijk kristal sluit licht op in een plak silicium van slechts 220 nanometer dik, waarin een doordacht patroon van gaten is geëtst. De fotonische kristallen hebben de bijzondere eigenschap dat de elektrische en magnetische velden verschillend veranderen wanneer de afstand tot het kristal verandert. Door de verschillende afstanden tot het kristal te scannen, konden de onderzoekers dus de bijdragen van het elektrische en het magnetische veld boven het kristal ontrafelen.
De metingen bieden een nieuwe mogelijkheid om het samenspel tussen licht en materie op de nanoschaal te bestuderen. Daarom verwachten de onderzoekers dat hun vondst een grote stimulans geeft aan de ontwikkeling van nieuwe metamaterialen.
Contact
Prof.dr. Kobus Kuipers, +31 (0)20 754 10 00
Boris le Feber MSc, +31 (0)20 754 71 00
Referentie
Simultaneous measurement of nanoscale electric and magnetic optical fields, B. le Feber, N. Rotenberg D.M. Beggs and L. Kuipers, Nature Photonics, 15 december 2013. DOI: 10.1038/nphoton.2013.323.