In een wetenschappelijk artikel publiceerde onderzoekers van de Universiteit Twente in Nederland recent belangrijke inzichten over de elementaire deeltjes waaruit licht bestaat. Deze deeltjes, fotonen, 'gedragen' zich verbazingwekkend veel gevarieerder dan de elektronen rondom atomen, terwijl je ze tegelijkertijd veel makkelijker kan controleren. Deze nieuwe inzichten hebben brede toepassingen, van slimme LED-verlichting tot nieuwe fotonische stukjes informatie die worden bestuurd met kwantumcircuits, tot gevoelige nanosensoren.
In atomen bezetten minuscule elementaire deeltjes, elektronen genaamd, gebieden rond de kern in vormen die orbitalen worden genoemd. Deze orbitalen 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"
Onderzoekers van de Universiteit Twente bestudeerden deze fotonische orbitalen en ontdekten dat ze met een zorgvuldig ontwerp van specifieke materialen deze orbitalen met een grote verscheidenheid aan vormen en symmetrieën kunnen maken en controleren. Deze resultaten hebben potentiële toepassingen in geavanceerde optische technologieën en kwantumcomputers.
Eerste auteur Kozon legt uit: "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".
Figuur 1: Verschillende fotonische orbitalen ontstaan in een fotonisch kristal superrooster.
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 zijn enthousiast: "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 belangrijk voor de ontwikkeling van geavanceerde optische technologieën, zoals 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 quantum dots en het creëren van netwerken van enkele fotonen.
Meer informatie
Het onderzoek is gedaan door Marek Kozoň, Ad Lagendijk, Matthias Schlottbom, Jaap van der Vegt en Willem Vos van de Universiteit Twente. Marek is een theoretisch natuurkundige die onlangs is afgestudeerd aan de COPS en MACS leerstoelen (nu bij Pixel Photonics GmbH, een bedrijf dat enkel fotondetectoren maakt in Duitsland), Matthias en Jaap zijn hoogleraren van MACS, en Ad en Willem zijn hoogleraren van COPS.
Het werk wordt ondersteund door het NWO-CSER programma, project "Understanding the absorption of interfering light for improved solar cell efficiency" onder projectnummer 680.93. 14CSER035; het NWO-JCER programma, project "Accurate and Efficient Computation of the Optical Properties of Nanostructures for Improved Photovoltaics" onder projectnummer 680-91-084; het NWO-GROOT programma, project "Self-Assembled Icosahedral Photonic Quasicrystals with a Band Gap for Visible Light" onder projectnummer OCENW.GROOT.2019. .071; het NWO-TTW Perspectief programma P15-36 "Free-Form Scattering Optics" (FFSO); en het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie, sectie Toegepaste Nanofotonica (ANP).
Het artikel met de titel "Symmetries and wave functions of photons confined in three-dimensional photonic band gap superlattices" is open access online te lezen in Physical Review B (van de American Physical Society (APS)).
