Gevangenis voor fotonen

25 september 2014, 22:05
Gevangenis voor fotonen
Gevangenis voor fotonen

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 in alle drie de dimensies in de ruimte, binnenin een fotonisch kristal. De kristallen hebben een structuur vergelijkbaar met hoe atomen in diamanten edelstenen zijn gerangschikt.

In de 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. Aangezien licht een elektromagnetische golf is, zijn er specifieke golven waarvan de golflengte (of kleur) hetzelfde is als de lengte van de holte, die in de holte kunnen bestaan. Licht cirkelt echter 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 meestal niet licht in alle richtingen weerkaatsen. Dat soort ongewenste ontsnappingen kan worden tegengehouden met speciale spiegels.

Het nieuwe ontwerp is gebaseerd op driedimensionale fotonische kristallen. Ze bevatten een periodieke geometrie die 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.

Het is een uitdaging om een fotonische holte maken, aangezien het diep in een driedimensionale structuur moet worden aangebracht, wat meestal 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 gevangen genomen 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.

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.

Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items