Controle over het ontstaan van licht

LEERSTOEL: COPS
Controle over het ontstaan van licht
KARIN OVERGAAG, PETER LODAHL EN WILLEM VOS
Elementaire quantummechanica voorspelt dat een aangeslagen atoom na een gemiddelde tijd - de
levensduur - spontaan een lichtdeeltje uitzendt in een willekeurige richting. Niet alleen het atoom zelf maar
ook zijn omgeving bepaalt het tijdstip en de richting van lichtemissie. In 1987 voorspelde de Amerikaanse
onderzoeker Eli Yablonovitch theoretisch dat emissie zelfs geheel kan worden gecontroleerd in speciale
nanostructuren, bekend als fotonische kristallen. Deze voorspelling vormde het startschot voor wereldwijd
onderzoek naar dergelijke structuren waarvan onderzoekers verwachten dat ze bouwstenen zullen vormen
van optische 'chips' waarmee men informatie in de vorm van licht manipuleert. Fysici en chemici van Complex
Photonic Systems (COPS) en de Universiteit Utrecht zijn er als eerste in geslaagd om de emissie van licht in
zowel tijd als richting te controleren door gebruik te maken van speciaal gemaakte 'kunstmatige atomen' als
lichtbronnen in fotonische kristallen. Wij verwachten dat de resultaten belangrijke toepassingen kunnen
hebben in efficiënte miniatuurlasers en LEDs, zonnecellen en quantumcomputers.
Spontane emissie
Figuur 1: Detail van een fotonisch
kristal gemaakt met een elektronen
microscoop. De luchtbolletjes zijn
holtes in een vaste stof, die zichtbaar
is als de regelmatige witte structuur.
Luchtbollen zijn klein, maar nog
steeds 1000x groter dan atomen. De
schaalstreep is 0.001 mm lang.
10
De wisselwerking tussen licht en
materie is een belangrijk proces in
de natuur en speelt een grote rol in
bijvoorbeeld de levenscyclus van
planten. Een atoom (of molecuul)
kan een lichtdeeltje, foton geheten,
met een specifieke energie opnemen. Het atoom in kwestie heet dan
'aangeslagen'; het is in een hogere
energietoestand gekomen. Door
spontaan en in willekeurige richting
een foton uit te zenden keert het
atoom terug naar de grondtoestand.
Dit wordt spon-tane emissie
genoemd. Het uitzenden van het
foton is een quantummechanisch
kansproces, dat evenredig is aan de
dichtheid van zogenaamde vacuümfluctuaties. Deze alomtegenwoordige vacuümfluctuaties zijn een
quantummechanische ruis die de
aandrijving vormen voor allerlei
fundamentele processen, zoals het
spontaan uitzenden van licht door
atomen. Vacuümfluctuaties zijn
storend voor de werking van lasers,
omdat je in een laser niet wilt dat
atomen energie spontaan in
willekeurige richtingen uitzenden.
Ook verstoren deze fluctuaties het
bewerken van quantuminformatie
voor bijvoorbeeld de toekomstige
quantumcomputer.
Deze processen kun je manipuleren
zodra je de vacuümfluctuaties in
bedwang hebt. Wereldwijd onderzoeken wetenschappers het 'temmen' van vacuümfluctuaties. Dit
onderzoek leidt al tot de ontwikkeling van steeds kleinere laserbronnen. In 1987 voorspelde de Amerikaanse onderzoeker Eli Yablonovitch dat spontane emissie geheel
kan worden gecontroleerd door de
atomen te plaatsen in zogenaamde
fotonische kristallen met een
fotonische bandkloof.
Fotonische kristallen
Fotonische kristallen bestaan uit
twee materialen met een verschillende brekingsindex, regelmatig geordend. Deze brekingsindex bepaalt
hoe snel licht zich door het materiaal voortbeweegt, en veroorzaakt
de buiging van licht in lenzen en
prisma's. De brekingsindex in
fotonische kristallen varieert op een
lengteschaal ongeveer gelijk aan de
golflengte van licht. De gewenste
lengteschaal is ongeveer 500 nm
voor zichtbaar licht. Dat is minder
dan een duizendste millimeter, maar
ook tienduizend keer groter dan de
afmetingen van atomen.
Des te groter het verschil in brekingsindex in het fotonische kristal,
S.V. ARAGO
des te extremer licht zich gedraagt
in zo'n kristal. Licht van bepaalde
golflengten kan zich in bepaalde
richtingen helemaal niet voortbewegen. Wanneer licht in geen
enkele richting meer kan bewegen,
dan is er sprake van een 'fotonische
bandkloof'. In zo'n bandkloof zijn
de vacuümfluctuaties onderdrukt.
Voor sommige andere golflengtes
die niet in de bandkloof vallen,
stimuleert het fotonische kristal de
vacuümfluctuaties juist. Als het dus
lukt om een bandkloof in een kristal
te verwezenlijken, kan het licht op
ultieme worden wijze gemanipuleerd.
Kunstmatige atomen als
lichtbronnen
Om licht te manipuleren hebben we
fotonische kristallen gemaakt van
titania (het materiaal dat witte verf
zijn kleur geeft), waarin we een
periodieke structuur van luchtbollen hebben aangebracht (figuur 1).
Deze kristallen hebben afmetingen
van 2 bij 2 bij 0,3 millimeter en
bestaan uit duizenden luchtbollen in
drie dimensies. De roosterafstanden
van de verschillende kristallen
gevarieerd tussen de 240 en 650
nanometer. In de kristallen zijn
vervolgens doelbewust colloïdale
deeltjes gebracht. Deze colloïdale
deeltjes zijn gemaakt van de
halfgeleider cadmiumselenide en zijn
gemiddeld 4,5 nanometer groot. Ze
nestelen zich op de oppervlakken
van titania in de luchtbollen in een
concentratie van minder dan tien
per luchtbol. De deeltjes gedragen
zich als atomen en worden daarom
quantum dots of 'kunstmatige
atomen' genoemd.
In optische experimenten slaan we
de kunstmatige atomen met een
korte optische puls van een laser
aan. Vervolgens meten we hoe lang
het duurt voordat de kunstmatige
atomen spontaan fotonen uitzenden
en in welke richting deze bewegen.
FOCUS 35 - 2
Figuur 2: De grafiek laat zien
wanneer de lichtbronnen in
verschillende fotonische
kristallen licht uitzenden na
het aanslaan met een korte
laserpuls. Emissie van titania
zelf beïnvloedt het eerste deel
van de curven. Na 5 ns
domineren de kunstmatige
atomen de emissie van licht.
De kunstmatige atomen werken dus
als miniatuur lichtbronnen in de
fotonische kristallen en stellen ons
in staat om heel precies te meten
hoe de fotonische kristallen de
levensduur van spontane emissie
beïnvloeden.
Voorspelling voor het
eerst bevestigd
Uit de metingen (figuur 2) blijkt nu
dat bij fotonische kristallen met een
roosterafstand van 420 nanometer
de levensduur van de spontane
emissie van de kunstmatige atomen
9,6 nanoseconde is en bij 500 nanometer 19,3 nanoseconde. Ter vergelijking, de levensduur van kunstmatige atomen in een niet-fotonisch
referentiekristal is 12,4 nanoseconde. Deze resultaten, gepubliceerd
in Nature 430, 654 - 657 (2004),
laten zien dat het mogelijk is de
levensduur van spontane emissie te
verkorten of te verlengen door
middel van een fotonisch kristal, in
overeenstemming met theoretische
voorspellingen. Het verschil tussen
de langste en de kortste tijd is zelfs
een factor twee. Het is opmerkelijk
dat we zo het ontstaan van licht kunnen controleren voor veel verschillende golflengtes tegelijk. Bestaande
technieken verlengen of verkorten
de levensduur van spontane emissie
slechts voor een zeer beperkt aantal
golflengtes.
De levensduur heeft gevolgen voor
de efficiëntie van de lichtbronnen in
het kristal, die verminderd is als een
aangeslagen lichtbron zijn energie
afstaat in de vorm van warmte in
plaats van licht. De maat voor de
efficiëntie is het aantal fotonen dat
de lichtbron uitzendt gedeeld door
het aantal keren dat deze wordt
aangeslagen. Een verhoogde emissie
veroorzaakt de waargenomen korte
levensduur. Dit betekent dat de
efficiëntie van een lichtbron in het
kristal is verhoogd: elke laserpuls
die de lichtbronnen aanslaat, levert
dus meer fotonen op dan wanneer
de levensduur langer is.
Ook blijkt uit de experimenten dat
de emissie van de lichtbronnen sterk
gericht is. Dit betekent dat een lichtbron niet alleen efficiënt is, maar
ook directioneel, waardoor de lichtopbrengst nog verder toeneemt.
Daarmee zijn lichtbronnen in fotonische kristallen interessant voor
diverse toepassingen als microlasers
en LEDs (bijvoorbeeld in displays)
en bronnen die fotonen één voor
één uitzenden (bijvoorbeeld in de
bewerking van quantuminformatie).
De metingen laten ook zien dat
kunstmatige atomen overal in het
volume van de fotonische kristallen
de gewenste werking leveren, terwijl
eerdere experimenten met trilholtes
zo'n werking slechts in een veel
kleiner volume vertonen. Dit is
gunstig voor mogelijke bulktoepassingen van fotonische kristallen in
zonnecellen. Ik heb erg veel plezier
gehad met mijn afstudeeronderzoek bij COPS. Het gebeurt ten
slotte niet vaak dat je het NOS
nieuws haalt met je afstudeeronderzoek!
11