Langzaam licht verschiet van kleur

Langzaam licht verschiet van kleur
kennislink.nl, september 2006
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben samen
met collega’s van de Universiteit Twente en het Institut Fresnel in Marseille licht van kleur laten veranderen
door het door een zeef van nanometergaatjes te sturen. Als het licht langzamer door de gaatjes gaat, verschiet
een groter deel van het licht van kleur.
De snelheid waarmee het licht door de gaatjes gaat, kunnen de onderzoekers beïnvloeden door de vorm van de gaatjes te
veranderen. De onderzoekers publiceren hun resultaten binnenkort in het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters. De
resultaten zijn van belang voor het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen of voor het ontwikkelen van nieuwe
biosensoren in medische instrumenten.
Licht verandert niet zomaar van kleur. De kleur van licht, ook wel uitgedrukt in golflengte, hangt namelijk samen met de energie
van de lichtdeeltjes (fotonen) in een lichtbundel. Hoe langer de golflengte van licht, hoe minder energie. Volgens de Wet van
Behoud van Energie mag die energie niet zomaar veranderen. Alleen onder hele speciale omstandigheden treedt toch
kleurverandering op. Als men de lichtintensiteit gigantisch opvoert en het licht door een geschikt materiaal stuurt, kunnen twee
fotonen als het ware 'versmelten' in één foton met de dubbele energie. Zo kan infrarood licht, dat niet te zien is met het oog,
veranderen in blauw licht. In vakjargon heet dit proces tweede harmonische generatie.
Opstelling voor 'tweede harmonische generatie' verandert rood (800 nm) laserlicht in blauw (400 nm). Hier is een optisch kristal gebruikt,
de Nederlandse onderzoekers gebruiken een nanozeef. Beeld: www.flickr.com/photos/fatllama
Verrassende effecten met nanozeef
Normaal gesproken komt licht van een bepaalde golflengte nauwelijks door een gaatje heen als dat een afmeting heeft die kleiner
is dan die golflengte. Toch is een 'nanozeef' een geschikt materiaal om hoge lichtintensiteiten te krijgen. Door de gaatjes
namelijk in een periodiek patroon te plaatsen laten ze een verrassend grote hoeveelheid licht door. De hoeveelheid doorgelaten
licht kan zelfs groter worden dan je zou verwachten op basis van het gezamenlijke oppervlak van alle gaatjes. Het metaal tussen
de gaatjes helpt om meer licht door de gaatjes te 'persen'.
Twee jaar geleden lieten de Nederlandse en Franse onderzoekers al zien dat zij dit 'buitengewone' transmissiefenomeen, in
tegenstelling tot de toen geldende wijsheid, konden beïnvloeden door de vorm van de gaatjes te veranderen**). Een nanozeef
met rechthoekige gaatjes met afmetingen van 75 nanometer bij 225 nanometer (1 nanometer is 0,000001 millimeter) bleek tien
keer zoveel licht door te laten dan een zeef met ronde gaatjes met een doorsnede van 190 nanometer.
Opname met een elektronenmicroscoop van de nanozeven die de onderzoekers gebruikten. De onderzoekers varieerden de lengte en
breedte van de gaatjes (x en y) terwijl ze het oppervlak van de gaten nauwkeurig hetzelfde hielden.
Langzaam licht
Door licht door een zeef met rechthoekige nanogaatjes te sturen is nu gebleken dat de onderzoekers hele hoge lichtintensiteiten
kunnen opwekken. Deze intensiteiten zijn circa één miljoen maal een miljard keer zo hoog als van een stevige filmprojector. De
onderzoekers zijn erin geslaagd om licht met deze hoge intensiteit van kleur te laten veranderen door het door een nanozeef te
laten gaan: ze zetten infrarood licht om in blauw licht. Door de rechthoekige gaatjes steeds langgerekter te maken, kan de
lichtintensiteit verder worden vergroot. Hierdoor werd de opbrengst aan blauw licht navenant groter.
Het blijkt dat er een maximum zit aan het verhogen van de intensiteit door de gaatjes op te rekken. Voorbij een bepaalde
verhouding van de lengte en breedte gaat de intensiteit weer omlaag. Precies voor deze vorm van de rechthoeken doet het team
zijn opmerkelijkste vondst: terwijl de lichtintensiteit niet meer toenam werd er toch tienmaal zoveel blauw licht gemaakt.
Berekeningen laten zien dat voor gaatjes met deze 'grensverhouding', ook wel cut-off genoemd in vakjargon, het licht de gaatjes
heel moeilijk passeert. Als de verhouding van lengte en breedte precies gelijk is aan de 'cut-off' kruipt het licht langzaam door de
gaatjes. Daardoor duurt het langer voordat het licht door de gaatjes heen is. De fotonen hebben zo langer de kans om met elkaar
te versmelten tot een nieuwe kleur.
Van infrarood naar blauw licht. Een infrarode lichtbundel wordt door een nanozeef geperst. Daarbij neemt de intensiteit toe en
verschiet het licht van kleur. De verhouding van lengte en breedte van de rechthoekige gaatjes (de zogenaamde aspect ratio)
varieert. De figuur laat zien hoe de intensiteit van de infrarode lichtbundel (rode lijn) toeneemt en vervolgens afvlakt als de
gaatjes uitgerekt worden. Tegelijkertijd ontstaat er meer blauw licht (blauwe lijn). Als de verhouding van lengte en breedte 2 is,
kruipt het licht langzaam door de gaatjes. De lichtdeeltjes hebben zo langer de kans om met elkaar te versmelten. Dit is de piek
in de blauwe lijn.
Kleurverandering voor zonnecellen en biosensoren
Deze waarneming opent perspectieven voor de ontwikkeling van de volgende generatie zonnecellen en biosensoren. Een groot
deel van het licht dat van de zon op de aarde valt, kunnen we niet gebruiken in een zonnecel waarin licht wordt omgezet in
elektrische energie. Dit licht heeft namelijk een kleur die een zonnecel niet kan 'zien': het is infrarood. De fotonen hebben
daardoor niet genoeg energie om een elektrische lading te genereren. Wanneer we infrarood licht kunnen omzetten in fotonen
met meer energie, kunnen die nieuwe fotonen wel benutbare elektriciteit genereren. Door nu nanozeven in de zonnecel te
integreren zou de zonnecel een groter deel van het zonnespectrum kunnen benutten.
Voor het detecteren van biomoleculen zoeken onderzoekers vaak naar een optische vingerafdruk van die moleculen. Eén manier
om een optische vingerafdruk te verkrijgen is om met een sterke laser op de moleculen te schieten. De moleculaire vibraties in
het biomolecuul kunnen de kleur van de laser veranderen. Net als het hierboven beschreven tweede harmonische generatie is dit
een zogeheten niet-lineair optisch proces, en dus moeizaam, dat hele hoge lichtintensiteiten vereist. Door de moleculen in de
gaatjes van de nanozeef te plaatsen, moet het mogelijk worden om de vingerafdruk van het biomolecuul te verkrijgen met een
relatief goedkope laser. Dit opent perspectieven voor een nieuwe generatie sensoren die geen grote laserinfrastructuur vereisen
en die de huisarts wellicht in zijn spreekkamer kan gebruiken.