Hoe sluit je een golf op in een kristal?

Het manipuleren van golven in periodieke structuren of kristallen, heeft iets mysterieus. In Physical Review Letters beschrijft een team van de Universiteit Twente hoe elke soort kristal elke soort golf opsluit.

De techniek werkt voor zowel kwantum als klassieke golven. De resultaten geven met name een impuls aan efficiënte nieuwe geïntegreerde circuits die in minuscule lichtpulsen gecodeerde informatie door slimme steden sturen.

Om golven te manipuleren, moet je ze in een kleine oppervlak op kunnen sluiten. We weten al dat dit mogelijk is door opzettelijk afwijkingen van de perfecte periodiciteit in het kristal aan te brengen. Maar hoe worden de golven precies opgesloten? Worden ze in alle dimensies tegelijk opgesloten, of behouden ze de vrijheid om langs een lijn of in een vlak te bewegen? Opmerkelijk genoeg was de belangrijkste stap van het hebben van de structuur van het kristal naar het voorspellen van de opsluiting van de golven tot nu toe niet gezet.

Niet elk kristal is geschikt om elke golf in op te sluiten. De interne structuur van het kristal moet specifiek zijn afgestemd op de gewenste toepassing. En er zijn oneindig veel denkbare bouwstenen en ordeningen voor kristallen. Tot nu toe moesten wetenschappers en ingenieurs die golven wilden opsluiten, vertrouwen op hun intuïtie, giswerk en proefondervindelijke experimenten.

In hun artikel presenteren de onderzoekers een analyse-instrument dat voorspelt hoe golven in een kristal worden opgesloten, met alleen de structuur van het kristal als input. Eerste auteur Marek Kozon: “Een belangrijke parameter in onze analyse is een door ons uitgevonden ‘opsluitingsdimensie’. Deze beschrijft de opsluiting voor elke mogelijke golf.”

Groepsleiders Willem Vos en Ad Lagendijk: “We werden enthousiast toen we uit gesprekken met Marek begrepen dat onze methode niet alleen betrekking heeft op klassieke golven zoals geluid en licht, maar ook op kwantumgolven zoals elektronen in minuscule nanostructuren.”

Op basis van de nieuwe kennis kunnen de ontwerpers van kristallen nu profiteren van ‘vuistregels’ voor specifieke toepassingen, met als resultaat sterk vereenvoudigde en dus efficiënte ontwerpprocessen.

Groepsleiders Matthias Schlottbom en Jaap van der Vegt: “Onze resultaten zijn relevant voor efficiënte informatieverwerking in nieuwe fotonische en elektronische chips die toekomstige slimme steden zullen bevolken.”