Licht staat stil in een vervormd kristal

Onderzoekers van Amolf en de Technische Universiteit Delft slaagden erin om lichtgolven tot stilstand te brengen door het tweedimensionale fotonische kristal waarin ze zich bevinden te vervormen. De onderzoekers toonden aan dat zelfs een subtiele vervorming een substantieel effect kan hebben op fotonen in het kristal. Dit lijkt op het effect dat een magnetisch veld heeft op elektronen en biedt kansen voor de nanofotonica.

“Dit principe biedt een nieuwe aanpak om lichtvelden te vertragen en zo hun sterkte te vergroten. Dit realiseren op een chip is voor veel toepassingen van groot belang”, zegt Amolf-groepsleider Ewold Verhagen.

De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Photonics. Tegelijkertijd publiceert een onderzoeksteam van Pennsylvania State University in dit tijdschrift een artikel over hoe zij – onafhankelijk van het Nederlandse team – een identiek effect hebben aangetoond.

Het manipuleren van de lichtstroom in een materiaal op kleine schaal is gunstig voor de ontwikkeling van nanofotonische chips. Voor elektronen kan een dergelijke manipulatie worden gerealiseerd met behulp van magnetische velden; de Lorentzkracht stuurt de beweging van elektronen. Voor fotonen is dit echter onmogelijk omdat zij geen lading hebben. Onderzoekers van de Photonic Forces-groep bij Amolf zijn op zoek naar technieken en materialen waarmee ze krachten op fotonen kunnen uitoefenen die lijken op de effecten van magnetische velden.

Elektronen

“We hebben inspiratie gezocht in de manier waarop elektronen zich gedragen in materialen. In een geleider kunnen elektronen in principe vrij bewegen, maar een extern magnetisch veld kan dit stoppen. De cirkelvormige beweging die het magnetisch veld veroorzaakt, stopt de geleiding en als zodanig kunnen elektronen alleen in het materiaal bestaan ​​als ze heel specifieke energieën hebben. Deze energieniveaus, Landau-niveaus, zijn kenmerkend voor elektronen in een magnetisch veld”, zegt Verhagen. “Maar in grafeen kunnen deze Landau-niveaus ook worden veroorzaakt door een ander mechanisme dan een magnetisch veld. Over het algemeen is grafeen een goede elektronische geleider, maar dit verandert wanneer de kristal rangschikking wordt vervormd, bijvoorbeeld door deze uit te rekken als elastieken. Dergelijke mechanische vervorming stopt de geleiding; het materiaal verandert in een isolator en daardoor worden de elektronen gebonden aan Landau-niveaus. De vervorming van grafeen heeft dus een vergelijkbaar effect op elektronen in een materiaal als een magnetisch veld, zelfs zonder magneet. We vroegen ons af of een vergelijkbare aanpak ook zou werken voor fotonen.”

Fotonisch kristal

In samenwerking met Kobus Kuipers van de TU Delft toonde de groep van Verhagen inderdaad een vergelijkbaar effect aan voor licht in een fotonisch kristal. “Een fotonisch kristal bestaat normaal gesproken uit een regelmatig – tweedimensionaal – patroon van gaten in een siliciumlaag. Licht kan in dit materiaal vrij bewegen, net als elektronen in grafeen”, zegt eerste auteur René Barczyk. “Door deze regelmaat op precies de juiste manier te doorbreken, vervormt de array en worden de fotonen geblokkeerd. Zo creëren we Landau-niveaus voor fotonen.”

In Landau-niveaus bewegen lichtgolven niet meer; ze stromen niet door het kristal, maar staan ​​stil. De onderzoekers slaagden erin dit aan te tonen, door te laten zien dat de vervorming van de kristalreeks een vergelijkbaar effect heeft op fotonen als een magnetisch veld op elektronen. Verhagen: “Door te spelen met het vervormingspatroon, slaagden we er zelfs in om verschillende soorten effectieve magnetische velden in één materiaal te creëren. Hierdoor kunnen fotonen door bepaalde delen van het materiaal bewegen, maar in andere niet. Deze inzichten bieden dus ook nieuwe manieren om licht op een chip te sturen.

Dit brengt on-chip-toepassingen dichterbij”, zegt Verhagen. “Als we licht op nanoschaal kunnen opsluiten en op deze manier tot stilstand kunnen brengen, wordt de sterkte ervan enorm vergroot. En niet alleen op één plek, maar over het hele kristaloppervlak. Zulke lichtconcentratie is heel belangrijk in nanofotonische apparaten, bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van efficiënte lasers of quantumlichtbronnen.”