Stichting FOM
14 september 2010, 2010/29
Vergeten wisselwerking is effectieve cipier voor lichtopsluiting
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF, de Universiteit van Kyoto
(Japan) en de Sungkyunkwan Universiteit (Zuid-Korea) hebben een manier
ontdekt om het gedrag van licht op nanoschaal te veranderen. Voor het
eerst namen zij waar dat met behulp van een metalen nano-ring de
opsluiting van licht in een nano-trilholte kan worden beïnvloed: de
kleur licht die wordt opgesloten verandert en de tijd dat het licht
opgesloten blijft kan worden vergroot. De onderzoekers tonen aan dat de
wisselwerking tussen de trilholte en de ring wordt veroorzaakt door het
magnetische veld van het licht, een wisselwerking die onder normale
omstandigheden volstrekt verwaarloosbaar is. De onderzoekers publiceren
hun bevindingen deze week in het toonaangevende vakblad Physical Review
Letters.
vergroten Figuur 1. Schematische weergave van het experiment
a) Fotonische kristal nano-trilholte. Het fotonische kristal wordt
gevormd door een regelmatig patroon van nanogaten in een 200 nanometer
dik plakje silicium. In het kristal zijn bepaalde kleuren licht
verboden. Op de plekken waar geen gaten zijn gemaakt: links een
aaneengesloten lijn en rechts (pijl), mag het licht wel aanwezig zijn.
De afwezigheid van 3 gaten rechts vormt de nano-trilholte. Licht wordt
naar de trilholte gebracht via de lijn: een golfgeleider. b) Het
experiment. Met een ragfijne naald wordt de nano-trilholte afgetast. c)
Electronenmicroscopie opname van het eind van de naald. Zichtbaar is de
cylindrische metaallaag (100 nm dik) om een glazen kern. d) Het
uiteinde van de naald gedraagt zich als een nano-ringetje.
vergroten Figuur 2. Overzicht gemeten patroon en magneetveld
a) Relatieve verschuiving van de golflengte van de resonantie van de
trilholte als functie van de positie van de naald ten opzichte van de
trilholte. b) Het uitgerekende magneetveld in de trilholte. c) Het
uitgerekende elektrische veld in de trilholte. De overeenkomst tussen
het gemeten patroon en het berekende magneetveld is duidelijk.
In een fotonische kristal nano-trilholte kan licht worden opgesloten in
een volume dat kleiner is dan de golflengte van dat licht (zie figuur
1a). Doordat het licht in een dergelijke trilholte lang kan worden
opgeslagen, worden deze fotonische structuren gezien als belangrijke
componenten van toekomstige kwantumcommunicatienetwerken. Het licht in
de trilholte is ook zeer gevoelig voor minuscule verstoringen die in de
buurt van de trilholte worden gebracht. Dat klinkt in eerste instantie
misschien als een nadeel, maar het is juist een voordeel. Als een
nanodeeltje of een molecuul namelijk dichtbij de trilholte komt, zal de
resonantiefrequentie van de trilholte meetbaar verschuiven. Met andere
woorden, de trilholte zal licht van een andere kleur doorlaten. Dat
maakt deze nano-trilholtes uitermate geschikt als uiterst gevoelige
biosensoren.
Tot nu toe is de waargenomen verschuiving altijd het gevolg geweest van
de wisselwerking met het elektrische veld van licht. Door deze
wisselwerking zorgt de nabijheid van een nanodeeltje of molecuul er in
feite voor dat de trilholte groter wordt omdat het licht met meer
materie een wisselwerking heeft: de resonantiefrequentie verschuift
hierdoor naar langere golflengten (roodverschuiving), net als een
langere gitaarsnaar een lagere toon geeft. Licht heeft echter ook een
magnetisch veld. De wisselwerking tussen dit snel trillende magneetveld
en materie is doorgaans verwaarloosbaar. Als het magneetveld van het
licht echter in aanraking komt met een klein metalen ringetje, zal er
een stroompje in het ringetje gaan lopen (zie figuur 1d). Dit stroompje
wekt op zijn beurt een nieuw magneetveld op dat het originele
magneetveld zal tegenwerken. Dit is eigenlijk precies wat er gebeurt in
de wikkelingen van een elektromotor, alleen gebeurt het hier bij een
frequentie die een biljoen maal hoger is. Door deze zogenaamde
'magnetische inductie' verdringt het metalen ringetje lokaal het
magneetveld van het licht. Doordat het licht in de verdrukking komt,
wordt de trilholte effectief kleiner en verschuift de resonantie
frequentie van de trilholte naar kortere golflengten
(blauwverschuiving).
Naast een verschuiving van de resonantiefrequentie zou je verwachten
dat het licht in de trilholte sneller uitdempt door de aanwezigheid van
het ringetje. De stroom die door het ringetje loopt, ervaart immers een
elektrische weerstand. Dit betekent dat het lichtveld door het ringetje
extra energie zou moeten verliezen. Vreemd genoeg meten de onderzoekers
precies het tegenovergestelde: de demping van het lichtveld vermindert
en de levensduur van het licht in de trilholte en neemt zelfs met 50%
toe. Dit tegen-intuïtieve effect is nog niet geheel begrepen en zal het
onderwerp zijn van vervolgonderzoek.
Doordat de onderzoekers de positie van de nano-ring ten opzichte van de
nano-trilholte precies kunnen controleren, hebben ze nu een middel om
actief de opsluiting van licht te controleren en zelfs te schakelen.
Referentie
"Magnetic light-matter interactions in a photonic crystal nanocavity",
Matteo Burresi, Tobias Kampfrath, Dries van Oosten, Jord C. Prangsma,
Bongshik Song, Susumu Noda en L. (Kobus) Kuipers, Physical Review
Letters (PRL). Het artikel wordt op dinsdag 14 september op de website
van PRL gepubliceerd. Zodra de link beschikbaar komt, wordt deze op de
nieuwspagina van www.fom.nl geplaatst.
Contact
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Prof.dr. Kobus Kuipers, FOM-instituut AMOLF, telefoon (020) 754 71 94.