Universiteit Twente

Het ontstaan van licht controleren

In den beginne was er licht, ... maar hoe ontstaat licht nu eigenlijk? En als je dat ontstaan controleert, wat kun je er mee? Onderzoekers van de Universiteit Twente en Utrecht zijn er als eerste in geslaagd het ontstaan van licht te temmen en publiceren daarover in Nature van 5 augustus 2004. Zij 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. De resultaten zijn van toepassing voor nieuwe zonnecellen, lasers en lampen en op termijn zelfs voor quantum computers.
Het ontstaan van licht
Om het ontstaan van licht uit te leggen is een korte introductie in de quantummechanica van Albert Einstein en Niels Bohr nodig. Zij voorspelden dat iedere atoom met een hoge energietoestand na zijn gemiddelde levensduur, terugvalt naar een lage energietoestand. Bij dat terugvallen zendt het atoom energie in de vorm van een foton, oftewel een lichtdeeltje uit (zie Figuur 1). Volgens dit mechanisme zendt bijvoorbeeld de zon licht uit.

Figuur 1
Figuur 2
Figuur 3
Figuur 4
Figuur 1. Voorstelling van een atoom dat een foton uitzendt (linksonder).
Illustratie: Timo Rozendal (COPS).
Figuur 2. 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. De schaalstreep is 0.001 mm lang. Foto: COPS.
Figuur 3. Foto van een fotonisch kristal. Dit kristal heeft een doorsnede van ongeveer 2 millimeter. De blauwe schittering komt door reflectie aan de regelmatig gestapelde luchtbolletjes, net als bij paarlemoer of de edelsteen opaal. Foto: COPS.
Figuur 4. "Artist impression" van de flexibiliteit van de levensduur van een atoom in een fotonisch kristal. Illustratie: Mika Igarashi (COPS).
Het controleren van het ontstaan van licht is één van de grote doelen in de natuurkunde. Hoe kun je `kunstmatige' atomen, van slechts 0,0000045 millimeter groot, zo manipuleren dat je ze licht kunt laten uitzenden wanneer jij het wilt?
In 1987 is theoretisch bewezen dat je, door gebruik te maken van een fotonisch kristal, het uitzenden van licht zelfs geheel kan onderdrukken. Een fotonisch kristal is een regelmatige structuur met luchtbolletjes ter grootte van de golflengte van zichtbaar licht (zie Figuur 2), die licht op een speciale manier reflecteren, zie Figuur 3.

Deze voorspelling vormde het startschot voor wereldwijd onderzoek naar dergelijke kristallen (o.a.. in MESA^+) waarvan onderzoekers verwachten dat ze bouwstenen zullen vormen van optische `chips' waarmee men informatie in de vorm van licht manipuleert. Het onderzoek naar het controleren van licht
Onderzoekers van de Universiteit Twente, de Universiteit Utrecht en de Stichting FOM hebben nu als eersten in experimenten laten zien dat zij lichtenergie kunnen vasthouden en loslaten op het moment dat zij dat willen. Dit kunnen zij doen door kunstmatige atomen in een fotonisch kristal te plaatsen.
In het experiment wordt door middel van een korte puls van een laser het kunstmatige atoom in de hogere energietoestand gebracht. Normaal zou het kunstmatige atoom na zijn gemiddelde levensduur terugvallen naar de lage energietoestand, maar omdat het atoom in het fotonisch kristal is geplaatst, wordt het moment van uitzenden van het foton verlaat of vervroegd. In het vasthouden of vrijlaten zit de grote winst. Het is alsof de tijd voor het atoom wordt opgerekt of gekrompen (figuur 4).
Toepassingen voor kristallen die energie vasthouden kunnen gevonden worden in zonnecellen: als het licht van de zon wordt vastgehouden in hoge energie toestand van atomen in de cel, dan kan de efficiëntie van zonnecellen worden vergroot. Een andere toepassing zit juist in het versnellen van de uitzending van het foton. Dit is belangrijk om efficiëntere lichtbronnen te maken, bijvoorbeeld miniatuurlasers (voor in DVD-spelers) of spaarlampen.
Het fotonisch kristal zou een onmisbare schakel kunnen zijn voor quantumcomputers. Quantumcomputers beloven enorme rekensnelheden en computers die niet te "hacken" zijn. Het manipuleren van het foton, de informatiedrager van de toekomst, is daarbij essentieel. De kennis die nu door Peter Lodahl en zijn collega's is verzameld zal hierin zeker een rol spelen. Peter en zijn Twentse en Utrechtse collega's publiceren hun bevindingen op 5 augustus 2004 in Nature. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met groepsleider prof.dr. Willem Vos, Complex Photonic Systems (COPS), Universiteit Twente, telefoon (053) 489 53 88 of (053) 489 68 26,
e-mail w.l.vos@utwente.nl of met eerste auteur dr. Peter Lodahl, Complex Photonic Systems (COPS), Universiteit Twente, telefoon: (053) 489 53 93 of (053) 489 68 34, e-mail p.lodahl@utwente.nl Zie ook:
www.tn.utwente.nl/cops/
www.photonicbandgaps.com

Laatst gewijzigd op 05-08-2004 © Universiteit Twente Printversie