Stichting FOM

Meer informatie Contactperso(o)n(en): Melissa Vianen 14 juli 2009, 2009/21

Mislukte siliciumlaser leidt tot verrassend inzicht in lichtverstrooiing

Het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam heeft in samenwerking met het California Institute of Technology (Caltech) geprobeerd om een siliciumlaser te bouwen. Het gewenste onderzoeksresultaat om met de siliciumlaser de laserwerking van silicium te vinden, werd niet behaald. Maar de metingen leidden wel tot een verrassend nieuw inzicht in lichtverstrooiing: het licht verstrooide bijna nooit de trilholte uit. En dat terwijl normaal gesproken lichtverstrooiing alle kanten op gaat. Lichtverstrooiing is van groot belang in de telecommunicatie-industrie, in medische diagnostiek en in de ontwikkeling van nieuwe zonnecellen. AMOLF-onderzoeker Albert Polman en Caltech-onderzoekers Kerry Vahala en Tobias Kippenberg publiceren de resultaten vandaag in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters. Figuur 1. Ring van licht
vergroten Figuur 1. Ring van licht
Toelichting: Licht maakt een miljoen rondjes in een ring van glas waarin silicium nanodeeltjes zijn ingebracht (grafisch ontwerp: Caltech).
In 2000 publiceerden Italiaanse onderzoekers in het toonaangevende blad Nature een artikel waarin ze claimden lichtversterking te hebben gemeten in silicium. Dat leek een doorbraak, want onderzoekers zijn al lang op zoek naar een lichtbron die gemaakt is van het basismateriaal van de computerchipindustrie. Met een siliciumlaser zou het mogelijk worden om het internet (dat met glasvezels en lichtpulsen werkt) op een natuurlijke manier te integreren met de computertechnologie (die met elektriciteit werkt). De aanwijzingen in het Italiaanse werk waren echter indirect, het echte bewijs ontbrak.

Het Nederlands-Amerikaans team ging op zoek naar het echte bewijs en probeerde een siliciumlaser te bouwen. Bij Caltech hadden ze eerder een bijzondere trilholte voor licht ontwikkeld, waarin het licht in een ring wordt opgesloten en zo een miljoen maal wordt gerecycled. In zo'n structuur kan het licht zichzelf versterken en kan er laserwerking optreden. De onderzoekers brachten kleine siliciumdeeltjes in de trilholte. Maar wat ze ook probeerden, laserwerking van silicium werd niet gevonden.

Siliciumdeeltjes, met afmetingen van slechts enkele nanometers, zijn hele sterke lichtverstrooiers. Iedere keer als het licht met een siliciumdeeltje botst, keert het om. Het gevolg is een gigantische wanorde van heen en weer lopende lichtgolven. Het verrassende was echter dat het licht bijna nooit de trilholte uit verstrooide, terwijl normaal gesproken lichtverstrooiing alle kanten op gaat. De hemel is bijvoorbeeld blauw omdat licht van de zon botst met stofdeeltjes en moleculen in de lucht, en vervolgens alle kanten op verstrooit. In een trilholte blijkt dat niet het geval te zijn: het licht verstrooit alleen heen en weer binnen de trilholte en komt er niet uit.

Het effect lijkt sterk op wat vijftig jaar geleden al door Purcell werd voorspeld voor lichtbronnen. Een lichtbron die in een trilholte is ingebracht straalt zijn licht vooral de trilholte in en niet naar buiten. Dit effect is al meerdere malen met experimenten bevestigd. Lasers in DVD-spelers zijn bijvoorbeeld op dit principe gebaseerd. De onderzoekers ontdekten nu dat precies hetzelfde ook geldt voor lichtverstrooiing: licht botst met een verstrooier en heeft zo'n sterke interactie met de trilholte dat het verstrooide licht in de trilholte blijft opgesloten. Dat betekent dat het verstrooiproces dus niet alleen door de verstrooier zelf maar vooral ook door de omgeving (de trilholte) wordt bepaald.

Van mislukking tot verrassing
Albert Polman: "De Italiaanse onderzoekers zaten er naast met hun siliciumlaser, en ze hebben een heleboel onderzoekers wereldwijd op het verkeerde been gezet. Maar dankzij hun werk zijn wij met siliciumdeeltjes en trilholtes gaan werken, met een verrassend resultaat. Zo gaat het vaak in de wetenschap: de ene mislukking leidt vaak tot een andere verrassing."

Referentie
Purcell-Factor-Enhanced Scattering from Si Nanocrystals in an Optical Microcavity, T. J. Kippenberg, A.L. Tchebotareva, J. Kalkman, A. Polman, and K.J. Vahala, Physical Review Letters, Volume 103, 027406 (2009).

Meer informatie
Melissa van der Sande, afdeling Communicatie, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF), telefoon (020) 608 12 34.