Een gevangenis voor fotonen in een diamantachtig fotonisch kristal
Wetenschappers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie aan de Universiteit Twente hebben een nieuw soort trilholte ontworpen dat als gevangenis voor fotonen dient. De holte begrenst licht binnenin een fotonisch kristal. De kristallen hebben een vergelijkbare structuur met atomen die in diamanten edelstenen zijn gerangschikt. Het begrenzen van fotonen heeft vele toepassingen in optica (efficiënte miniatuurlasers en leds), communicatietechnologie (on-chip opslag van informatie) en zelfs in life sciences (minutieuze, gevoelige sensoren van farmaceutische materialen). Het onderzoek, dat mede is gefinancierd door FOM, verschijnt in Physical Review B.
In optica worden trilholtes veel gebruikt vanwege hun vermogen om licht op te slaan in een gelimiteerde ruimte voor een specifieke tijdsduur. Een generieke holte bestaat uit twee spiegels gescheiden door een stukje transparant materiaal. Licht kaatst heen en weer tussen de spiegels. Alleen specifieke golven, waarvan de golflengte (of kleur) psat binnen de lengte van de holte, kunnen in de holte bestaan. Dit wordt veroorzaakt door constructieve interferentie, waarbij toppen en dalen van veel golven samenvallen en opbouwen tot een hoge intensiteit. De toegestane golven resoneren om samen een staande golf in een holte te vormen.
Licht cirkelt niet onbeperkt rond in een holte, want tijdens elke rondgang lekt een gedeelte van de lichtenergie eruit. Een belangrijke lekkage wordt veroorzaakt door het feit dat spiegels niet licht in alle richtingen weerkaatsen. In veel reisrichtingen gaat het licht langs een spiegel en ontsnapt dan aan de holte. Dat soort ongewenste ontsnappingen kunnen worden tegengehouden met speciale spiegels die de drie ruimtedimensies begrenzen. Dat is het ontwerp wat het Nederlandse team gebruikt.
Gevangenis
Het nieuwe ontwerp is gebaseerd op driedimensionale fotonische kristallen. Deze structuren staan welbekend om hun vermogen de emissie en propagatie van licht te controleren. Ze bevatten een periodieke geometrie dat er voor zorgt dat een bepaalde kleur licht niet mag bestaan binnenin het kristal. Het licht kan het kristal niet in omdat het wordt weerkaatst, onafhankelijk van in welke richting het reist. In vergelijking met de eigenschappen van halfgeleiders wordt dit effect een 'fotonische bandkloof' genoemd.
Binnenin het bandkloofkristal kan het verboden licht bestaan in een kleine hoeveelheid, als er een puntdefect wordt geïntroduceerd. Aangezien zo'n optische holte wordt omgeven door het fotonische bandkloofkristal - dat fungeert als driedimensionale spiegel voor licht - kan licht niet ontsnappen: het zit vast in een gevangenis.
Ontwerp
Het is een uitdaging om een fotonische holte maken, aangezien het diep in een driedimensionaal structuur moet worden aangebracht, wat een moeilijk te bereiken plek is. Daarom kwam het Twentse team met een simpel ontwerp: ze gebruikten een diamantachtig kristal dat is opgebouwd uit twee sets loodrechte poriën. Dat soort kristal heeft een bandkloof van recordbreedte, wat de holte een sterk schild geeft. Eén porie in elke set heeft een kleinere diameter en op de kruising van die poriën verschijnt een puntdefect. Licht wordt dan in een klein hoeveelheid gevangengenomen rond het defect.
Uitgebreide berekeningen laten zien dat het volume van de fotongevangenis slechts 2,5 keer de golflengte van licht tot de macht drie is. Met andere woorden, zo klein als een duizendste van een miljoenste van een miljoenste van een liter.
Fabricage
Eerder had het team al laten zien dat diamantachtige fotonische bandkloofkristallen in silicium geëtst kunnen worden, met technieken die nu vooral gebruikt worden in de halfgeleiderchipindustrie. Het nieuwe ontwerp voor een holte kan worden toegepast tijdens de routinematige fabricage van deze fotonische kristallen. Daarom zal het snel mogelijk zijn om een lichtgevangenis op een chip te maken. Dit maakt de weg vrij om ultrasnelle fotonmanipulatie te integreren met bestaande elektronische informatiemanipulatie.
Het project werd ondersteund door de European Research Council, NWO, FOM en STW.
Referentie
Design of a three-dimensional photonic band gap cavity in a diamond-like inverse woodpile photonic crystal, Physical Review B, volume 90.
Artikel op Arxiv
Meer informatie
Dr. Léon Woldering, Universiteit Twente, +31 (0)53 489 26 03
Prof. Dr. Willem Vos, Universiteit Twente, +31 (0)53 489 53 88