De grootte maakt het verschil: licht manipuleren met fotonisch kristal

Met fotonische kristallen kun je licht in hoge mate manipuleren. Zo stellen ze je in staat om licht ‘op te sluiten’ of zones creëren waarin licht van specifieke golflengtes onmogelijk kan doordringen. Bij gebrek aan alternatief, moesten natuurkundigen tot voor kort rekenen met (niet bestaande) oneindig grote kristallen. Onderzoekers van onderzoeksinstituut Mesa+ van de Universiteit Twente hebben nu een model ontwikkeld dat wel rekening houdt met de eindige grootte van de kristallen. Hierbij verenigen ze theorie met waarnemingen uit de praktijk.

Licht ontstaat door de spontane emissie van fotonen (‘lichtdeeltjes’). Een elektron in een materiaal in ‘aangeslagen toestand’ vervalt hierbij naar een lagere energietoestand en zendt een foton uit. Voor allerlei toepassingen, zoals efficiëntere led-lampen, lasers en kwantumcomputers, is het nuttig als je in staat bent om nauwkeurig te controleren wanneer het materiaal fotonen uitzendt.

Oneindig grote kristallen

Met fotonische kristallen – nanostructuren gemaakt van materialen met verschillende brekingsindices, gerangschikt in een regelmatig patroon – kun je de spontane uitzending van fotonen sturen. In een fotonisch kristal dat oneindig groot is, kun je theoretisch bijvoorbeeld fotonen voor de eeuwigheid opsluiten. Omdat er tot voor kort geen geschikt model was om te rekenen aan kristallen met eindige afmetingen (terwijl dat de enige kristallen zijn die bestaan) werd in natuurkundige rekenmodellen doorgaans gerekend met oneindig grote kristallen. 

Theorie en praktijk verenigd

Onderzoekers van onderzoeksinstituut Mesa+ van de Universiteit Twente zijn er nu in geslaagd om een model op te stellen dat wel rekening houdt met de (eindige) grootte van het kristal. Hiermee zorgen ze ervoor dat theorie en waarnemingen uit de praktijk weer op elkaar aansluiten. Uit hun onderzoek komt onder meer naar voren hoe de grootte, de positie en de opbouw van een fotonisch kristal de spontane emissie van fotonen beïnvloeden. Deze kennis is relevant omdat er steeds meer concrete toepassingen voor fotonische kristallen komen.

Onderzoek

Het onderzoek is uitgevoerd door Elahe Yeganegi en FOM-werkgroepleiders Ad Lagendijk, Allard Mosk en Willem Vos van de vakgroep Complex Photonic Systems (COPS) van het onderzoeksinstituut Mesa+ van de Universiteit Twente. Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie.

‘Local density of optical states in the band gap of a finite one-dimensional photonic band gap crystal’