Ontwerpprincipes voor extreem heldere kwantum-lichtbronnen ontdekt

Het nieuwe systeem combineert de jongste ontwikkelingen in de nanofotonica. In dat vakgebied onderzoeken natuurkundigen hoe licht kan worden gemanipuleerd met op nanoschaal gemaakte materialen. Zo manipuleren onderzoekers hoe licht ontstaat in lasers en led’s, hoe licht zich voortplant in optische chips en hoe zonnecellen licht absorberen. Het onderzoek van de FOM-natuurkundigen richtte zich specifiek op het verbeteren van het uitzenden van licht door de kleinste kwantum-lichtbron: een enkel molecuul.

Er zijn veel manieren bekend waarmee de onderzoekers het licht kunnen manipuleren. Zo bestaan er optische antennes die licht in een zo klein mogelijk volume vangen en het zo efficiënt mogelijk uitzenden, geleiders voor licht, en structuren om licht eindeloos in op te sluiten. Deze onderdelen vormen een uitgebreide set bouwblokken, maar de vraag was hoe men deze bouwblokken het beste combineert om nuttige systemen te maken. Het ‘bouwen’ van een lichtsysteem is wat dat betreft te vergelijken met elektronica, waarbij de bouwblokken bestaan uit weerstanden, condensatoren en spoelen. Met een handvol eenvoudige regels kun je deze simpele onderdelen combineren tot een hele rijkdom aan elektronica. De FOM-onderzoekers toetsten nu of dergelijke universele ‘bouwregels’ ook bestaan voor lichtbronnen.

Gecombineerde technieken

In een lichtbron zoals een led ontstaat licht door spontane emissie. Een atoom of een molecuul neemt een hoeveelheid energie in zich op, en laat deze energie vervolgens weer vrij in de vorm van een ‘lichtdeeltje’. Om een heldere lichtbron te maken, is het nodig de tijd tussen het opnemen van de energie en de uitzending van dit foton zo kort mogelijk te maken. Een lichtbron kan dan per tijdseenheid meer fotonen, en dus meer licht uitzenden.

Door de ‘bouwregels’ te ontrafelen kunnen wetenschappers de tijd tussen absorptie en emissie beïnvloeden. De Amsterdamse onderzoekers combineerden daartoe drie bouwstenen in hun schakeling: de lichtbron, een spiegel en een optische antenne. Dat een spiegel het uitzenden van licht beïnvloedt, is al zo’n zestig jaar bekend. Een spiegel kan het uitzenden versnellen of vertragen, afhankelijk van de afstand tussen de bron en de spiegel. De andere bouwsteen, de optische antenne, is een structuur die is gebaseerd op radioantennes. Terwijl radioantennes het uitzenden van radiosignalen efficiënter maken, zijn optische antennes een miljoen maal kleiner gemaakt om te passen bij de golflengte van zichtbaar licht. Een voorbeeld van een optische antenne is een gouddeeltje, die het spontaan uitzenden van licht door een kwantum-lichtbron aanzienlijk versnelt.

De onderzoekers combineerden de spiegel en de nanoschaal optische antenne tot een hybride fotonisch systeem. Door de spiegel te bewegen, alles op afstanden kleiner dan één promille van de dikte van een haar, konden de onderzoekers heel nauwkeurig meten hoe de spiegel en de antenne samen opgeteld moeten worden om de ‘weerstand’ die de bron voelt te bepalen.

Bouwregels

Op de vraag welke ‘bouwregels’ gelden bij zulke hybride fotonische systemen vonden de onderzoekers een verrassend antwoord. Door de interactie tussen spiegel en antenne bleken de componenten niet meer vergelijkbaar met de elektrische weerstanden in de elektronica-analogie. De gebruikelijke rekenregels voor ‘serie-‘ en ‘parallelschakeling’ lopen in het geval van lichtschakelingen dus spaak, en moeten vervangen worden door een geheel nieuwe regel.

Het experiment onthult een nieuw, algemeen ontwerpprincipe voor hybride fotonische systemen. Dat principe zal bijdragen aan de bouw van efficiëntere zonnecellen en leds, maar biedt ook een fundamentele vooruitgang voor toekomstige kwantum-informatie toepassingen, waarbij informatie opgeslagen, bewerkt, of getransporteerd wordt als enkele fotonen.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review Letters: Martin Frimmer, A. Femius Koenderink, Spontaneous emission control in a tunable hybrid photonic system, Phys. Rev. Lett. 110, 217405 (2013)