Spiegeltje, spiegeltje, aan en uit

Het beheersen van licht is een technologische uitdaging – niet alleen op de grote schaal van optica in microscopen en telescopen, maar ook op de nanometerschaal. Deze week publiceerden natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam een quantumtruc waarmee ze een nanospiegel kunnen maken die naar believen kan worden aan- en uitgezet.

Om licht op kleine schaal te beheersen, gebruiken natuurkundigen meta-oppervlakken op nanoschaal. De mogelijkheden zijn echter nog enigszins beperkt. De meeste meta-oppervlakken zijn bijvoorbeeld statisch, terwijl wetenschappers optische componenten willen hebben die actief kunnen worden afgesteld – harder of zachter, aan of uit – om met licht te kunnen bewerkstelligen wat we nu alleen in elektronische schakelingen kunnen.

In een artikel over nieuw onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Light: Science & Applications, beschrijven natuurkundigen Tom Hoekstra en Jorik van de Groep van het UvA-Institute of Physics een nieuwe vinding. Zij slaagden erin een actief instelbaar meta-oppervlak te realiseren. Aan de basis ligt een 2D laag van wolfraamdisulfide (WS₂). De eigenschappen van dit materiaal stelden de onderzoekers in staat een nanospiegel voor rood licht te bouwen die naar wens kan worden aan- en uitgezet – in feite: een lichtschakelaar op de nanoschaal.

Excitonen

Dat tweedimensionale materialen gebruikt zouden kunnen worden voor optische modulatie werd al kort na de ontdekking van deze materialen in 2004 gesuggereerd, maar het bleek extreem moeilijk om het effect bij kamertemperatuur te laten werken. Nu is echter een meta-oppervlak geconstrueerd dat licht in zichzelf opsluit, precies waar de tweedimensionale WS₂-laag zich bevindt. Hierdoor wordt de interactie tussen licht en materie ongewoon sterk. Zo sterk dat quantumeffecten binnen de WS₂-laag bij kamertemperatuur blijven bestaan, waardoor het apparaat met recordefficiëntie presteert.

Wanneer wolfraamdisulfide licht absorbeert, wordt een elektron aangeslagen en naar een hoger energieniveau getild. Door de opsluiting in de atomair dunne laag blijven het negatief geladen elektron en het positief geladen ‘gat’ dat het elektron achterlaat door elektrostatische aantrekkingskracht aan elkaar gebonden, waardoor een exciton ontstaat.

Dit quantummechanische verschijnsel vormt de kern van de regelbaarheid van het apparaat. Dankzij de excitonen reflecteert het in de ‘aan’-stand licht met specifieke golflengten in het rode deel van het zichtbare spectrum, en vormt het dus een nanospiegel. Omdat excitonen erg gevoelig zijn voor de ladingsdichtheid in het materiaal, kunnen ze effectief worden onderdrukt door daar spanning op te zetten. Hierdoor wordt in de ‘uit’-stand al het rode licht geabsorbeerd en wordt niets ervan meer gereflecteerd.

Mogelijkheden

Het werk van Hoekstra en Van de Groep laat zien dat excitonen in tweedimensionale materialen kunnen worden gebruikt om compacte, actieve optische componenten te maken met allerlei toepassingen. Hun aanpak biedt veelbelovende mogelijkheden voor toepassingen waar licht snel en nauwkeurig moet worden gestuurd. Denk bijvoorbeeld aan optische communicatieverbindingen – waarbij lichtbundels draadloos data door de lucht verzenden – of aan optische computers – waarbij lichtdeeltjes, fotonen, in plaats van de traditionele elektronen, informatie overbrengen met hoge snelheid en laag energieverbruik.