Vergeten wisselwerking is effectieve cipier voor lichtopsluiting

De onderzoekers tonen aan dat de wisselwerking tussen de trilholte en de ring wordt veroorzaakt door het magnetische veld van het licht, een wisselwerking die onder normale omstandigheden volstrekt verwaarloosbaar is. De onderzoekers publiceren hun bevindingen deze week in het toonaangevende vakblad Physical Review Letters.

Lang opgeslagen 

In een fotonische kristal nano-trilholte kan licht worden opgesloten in een volume dat kleiner is dan de golflengte van dat licht (zie figuur 1a). Doordat het licht in een dergelijke trilholte lang kan worden opgeslagen, worden deze fotonische structuren gezien als belangrijke componenten van toekomstige kwantumcommunicatienetwerken. Het licht in de trilholte is ook zeer gevoelig voor minuscule verstoringen die in de buurt van de trilholte worden gebracht. Dat klinkt in eerste instantie misschien als een nadeel, maar het is juist een voordeel. Als een nanodeeltje of een molecuul namelijk dichtbij de trilholte komt, zal de resonantiefrequentie van de trilholte meetbaar verschuiven. Met andere woorden, de trilholte zal licht van een andere kleur doorlaten. Dat maakt deze nano-trilholtes uitermate geschikt als uiterst gevoelige biosensoren.

Magneetveld 

Tot nu toe is de waargenomen verschuiving altijd het gevolg geweest van de wisselwerking met het elektrische veld van licht. Door deze wisselwerking zorgt de nabijheid van een nanodeeltje of molecuul er in feite voor dat de trilholte groter wordt omdat het licht met meer materie een wisselwerking heeft: de resonantiefrequentie verschuift hierdoor naar langere golflengten (roodverschuiving), net als een langere gitaarsnaar een lagere toon geeft. Licht heeft echter ook een magnetisch veld. De wisselwerking tussen dit snel trillende magneetveld en materie is doorgaans verwaarloosbaar. Als het magneetveld van het licht echter in aanraking komt met een klein metalen ringetje, zal er een stroompje in het ringetje gaan lopen (zie figuur 1d). Dit stroompje wekt op zijn beurt een nieuw magneetveld op dat het originele magneetveld zal tegenwerken. Dit is eigenlijk precies wat er gebeurt in de wikkelingen van een elektromotor, alleen gebeurt het hier bij een frequentie die een biljoen maal hoger is. Door deze zogenaamde ‘magnetische inductie’ verdringt het metalen ringetje lokaal het magneetveld van het licht. Doordat het licht in de verdrukking komt, wordt de trilholte effectief kleiner en verschuift de resonantie frequentie van de trilholte naar kortere golflengten (blauwverschuiving).

Levensduur neem toe 

Naast een verschuiving van de resonantiefrequentie zou je verwachten dat het licht in de trilholte sneller uitdempt door de aanwezigheid van het ringetje. De stroom die door het ringetje loopt, ervaart immers een elektrische weerstand. Dit betekent dat het lichtveld door het ringetje extra energie zou moeten verliezen. Vreemd genoeg meten de onderzoekers precies het tegenovergestelde: de demping van het lichtveld vermindert en de levensduur van het licht in de trilholte en neemt zelfs met 50% toe. Dit tegen-intuïtieve effect is nog niet geheel begrepen en zal het onderwerp zijn van vervolgonderzoek.

Doordat de onderzoekers de positie van de nano-ring ten opzichte van de nano-trilholte precies kunnen controleren, hebben ze nu een middel om actief de opsluiting van licht te controleren en zelfs te schakelen.


Figuur 1. Schematische weergave van het experiment
a) Fotonische kristal nano-trilholte. Het fotonische kristal wordt gevormd door een regelmatig patroon van nanogaten in een 200 nanometer dik plakje silicium. In het kristal zijn bepaalde kleuren licht verboden. Op de plekken waar geen gaten zijn gemaakt: links een aaneengesloten lijn en rechts (pijl), mag het licht wel aanwezig zijn. De afwezigheid van 3 gaten rechts vormt de nano-trilholte. Licht wordt naar de trilholte gebracht via de lijn: een golfgeleider. b) Het experiment. Met een ragfijne naald wordt de nano-trilholte afgetast. c) Electronenmicroscopie opname van het eind van de naald. Zichtbaar is de cylindrische metaallaag (100 nm dik) om een glazen kern. d) Het uiteinde van de naald gedraagt zich als een nano-ringetje.

Figuur 2. Overzicht gemeten patroon en magneetveld
a) Relatieve verschuiving van de golflengte van de resonantie van de trilholte als functie van de positie van de naald ten opzichte van de trilholte. b) Het uitgerekende magneetveld in de trilholte. c) Het uitgerekende elektrische veld in de trilholte. De overeenkomst tussen het gemeten patroon en het berekende magneetveld is duidelijk.