De onderzoekers bestuderen licht dat is opgesloten in een plak silicium met een dikte van slechts 200 nanometer, waarin een slim patroon van gaten is geëtst. De diameter van de gaten is 200 nanometer en de periode van het rooster is 450 nanometer. In de bovenstaande figuur is een elektronenmicroscopiebeeld van de structuur te zien. Het licht kan zich alleen voortplanten in de dunne strook die te zien is in het midden van het beeld, waar geen gaatjes zijn geboord. In deze zogenaamde fotonische kristal golfgeleider is het licht opgesloten in een kanaaltje met een breedte van slechts een fractie van de golflengte. Dergelijke golfgeleiders worden veel onderzocht, omdat ze belangrijke toepassingen in de telecommunicatie kunnen hebben.
Licht in een fotonisch kristal golfgeleider Linksboven is een elektronenmicroscopiebeeld te zien van de fotonische kristal golfgeleider. Een regelmatig patroon van gaten vormt het fotonische kristal. De golfgeleider wordt gevormd door de strook silicium zonder gaten. In het vergrootglas zien we de gemeten ruimtelijke verdeling van de componenten van het licht die parallel aan de voortplantingsrichting (verticaal in de figuur) danwel loodrecht op de voorplantingsrichting (horizontaal in de figuur) trillen. De grootte van beide plaatjes is 1.7 × 2.1 micrometer. De parallele component heeft een maximum in het midden van de golfgeleider, de loodrechte component is daar juist nul.
Met een unieke microscoop konden de onderzoekers voor het eerst de trilrichting van het licht op ieder punt in zo’n golfgeleider meten. Het resultaat van die meting is in het vergrootglas van de bovenstaande figuur weergegeven. Het linkerplaatje is de sterkte van de component van het licht die parallel aan de voorplantingsrichting trilt en het rechterplaatje is de component die loodrecht op de voortplantingsrichting trilt. Met name de trilrichting parallel aan de voortplantingsrichting (longitudinaal) is tegenintuïtief: in het dagelijks leven is licht een transversale golf waarin de trilrichting altijd loodrecht op de voortplantingsrichting staat en komt deze trilrichting dus niet voor. Deze parallelle (of longitudinale) component mag in nanostructuren wel voorkomen, maar was nog nooit direct waargenomen. Door deze twee figuren te combineren, kan worden bepaald in welke richting het licht trilt. In de animaties hieronder geven de pijltjes de sterkte én de trilrichting van het licht aan voor iedere positie boven de structuur.
?clip_id=2879557&server=vimeo.com&show_title=1&show_byline=0&show_portrait=0&color=CC0000&fullscreen=1" />
?clip_id=2879550&server=vimeo.com&show_title=1&show_byline=0&show_portrait=0&color=CC0000&fullscreen=1" />
h3. Trilrichting van het licht in de golfgeleider
Boven zien we het gemeten resultaat, onder het gesimuleerde resultaat als vergelijking. De figuren beschrijven een oppervlak van 450 nanometer x 1 micrometer. Net boven het midden van deze figuren is te zien hoe de pijltjes als een draaikolk om één punt heen draaien. In dit punt heeft het licht een identiteitscrisis.
Dichtbij het midden van deze figuren is te zien hoe de trilrichting (aangegeven door de kleine zwarte pijltjes) één keer helemaal om zijn as draait alsof het licht in een draaikolk zit. In het midden van deze draaikolk heeft het licht een identiteitscrisis op de nanoschaal. Hetzelfde team publiceerde op 16 januari al dat de ruimtelijke verdeling van de lichtintensiteit boven fotonische kristalstructuren tegenintuïtief is en sterk kan worden beïnvloed door goed gekozen structuren.
Deze nieuwe bevindingen samen, inzicht in de ruimtelijke verdeling van én de trilrichting én de intensiteit, zijn van belang voor het vergroten van de mogelijkheden van fotonische kristalstructuren voor telecommunicatie. Daarnaast bieden ze nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van deze structuren als elementen in een quantumcomputer.
Bronnen:
Subwavelength Structure of the Evanescent Field of an Optical Bloch Wave (Rob Engelen, Daisuki Mori, Toshihiko Baba, L. (Kobus) Kuipers, Physical Review Letters, vol. 102, 023902 (2009); 16 januari 2009)
Observation of polarization singularities at the nanoscale (Matteo Burresi, Rob Engelen, Aron Opheij, Dries van Oosten, Daisuki Mori, Toshihiko Baba, L. (Kobus) Kuipers, Physical Review Letters, 22 Januari 2009)
Zie verder:
- Materie in een nieuw licht (Kennislinkartikel van Universiteit Twente)
- Licht ontsnapt maar nét (Kennislinkartikel van Stichting FOM)
