Nieuwe fotonen voor andere optische technologieën

Fotonen gedragen zich verbazingwekkend veel gevarieerder dan elektronen, terwijl je ze veel makkelijker kan controleren. Nieuwe inzichten beloven slimme Led-verlichting, informatie bestuurd met kwantumcircuits, en gevoelige nanosensoren.

Bekijk hier het wetenschappelijke artikel van onderzoekers van de Universiteit Twente.

Elektronen bezetten gebieden rond de atoomkern in orbitalen. Deze geven aan hoe waarschijnlijk het is dat een elektron zich in een bepaald gebied van de ruimte bevindt. Kwantummechanica bepaalt de vorm en energie van de orbitalen. Net als bij elektronen, beschrijven onderzoekers het gebied van de ruimte waar een foton zich waarschijnlijk bevindt ook met orbitalen.

In elke gekke vorm die je maar bedenkt

De onderzoekers van de UT bestudeerden deze fotonische orbitalen en concludeerden dat ze ze met een zorgvuldig ontwerp van specifieke materialen in een grote verscheidenheid aan vormen en symmetrieën kunnen maken en controleren.

Eerste auteur Kozon: “In de scheikundeboeken draaien de elektronen altijd rond de kleine atoomkern in het centrum van de baan. De vorm van een elektronenbaan kan dus niet veel afwijken van een perfecte bol. Met fotonen kunnen de orbitalen elke wilde vorm hebben die je ontwerpt door verschillende optische materialen te combineren in ontworpen ruimtelijke ordeningen”.

Makkelijker te ontwerpen

De onderzoekers voerden een computationele studie uit om te begrijpen hoe fotonen zich gedragen wanneer ze worden opgesloten in een specifieke 3D-nanostructuur die bestaat uit minuscule poriën (een fotonisch kristal). Deze holtes zijn opzettelijk ontworpen met ‘defecten’, waardoor een superstructuur ontstaat die de fotonische toestanden isoleert van de omringende omgeving. Natuurkundigen Vos en Lagendijk: “Gezien de rijke gereedschapskist in de nanotechnologie ontwerpen we veel eenvoudiger vernuftige nanostructuren met nieuwe fotonische orbitalen dan we atomen aanpassen om nieuwe elektronische orbitalen en scheikunde te realiseren.”

Geavanceerde optische technologieën

Fotonische orbitalen zijn nuttig voor de ontwikkeling van geavanceerde optische technologieën als efficiënte verlichting, kwantumcomputers en gevoelige fotonische sensoren. De onderzoekers bestudeerden ook hoe deze nanostructuren de lokale dichtheid van optische toestanden verbeteren, wat belangrijk is voor toepassingen in de kwantumelektrodynamica van holtes. Ze ontdekten dat structuren met kleinere defecten een grotere verbetering vertonen dan structuren met grotere defecten. Dit maakt ze geschikter voor het integreren van zogeheten kwantumdots en het creëren van netwerken van enkele fotonen.