Onlangs ontwikkelde een team van scheikundigen, wiskundigen, natuurkundigen en nano-ingenieurs aan de Universiteit Twente in Nederland het ultieme apparaat om de emissie van fotonen met ongekende precisie te regelen. Deze technologie zou kunnen leiden tot efficiëntere miniatuurlichtbronnen, gevoelige sensoren en stabiele kwantumbits voor kwantumcomputing.
Het onderdeel van je smartphone dat de meeste energie verbruikt, is het scherm. Het verminderen van ongewenste energie die uit het scherm ontsnapt, verhoogt de duurzaamheid van onze smartphone. Stel je voor dat je smartphone maar één keer per week hoeft te worden opgeladen. Maar om de efficiëntie te verhogen, moet je fotonen op een meer gecontroleerde manier kunnen uitstralen.
MINT-toolbox
De onderzoekers ontwikkelden de 'MINT-toolbox': een set gereedschappen uit de wetenschappelijke disciplines wiskunde, informatica, natuurwetenschappen en technologie. In deze gereedschapskist zaten geavanceerde chemische gereedschappen. De belangrijkste waren polymeerborstels, piepkleine chemische ketens die de fotonbronnen op een bepaalde plaats kunnen houden. Eerste auteur Schulz legt uit: "De polymeerborstels zijn in oplossing geënt op porieoppervlakken in een zogenaamd fotonisch kristal van silicium. Nogal een lastig experiment! We waren dan ook erg enthousiast toen we in afzonderlijke röntgenbeeldvormingsstudies zagen dat de fotonbronnen op de juiste posities bovenop de borstels zaten."
Wereldrecord
Met behulp van nanofotonische middelen, toonde het team aan dat aangeslagen lichtbronnen (lichtbronnen met hogere energie dan het laagste energieniveau van het systeem) bijna vijftig keer worden geremd. Daardoor blijft de lichtbron vijftig keer langer aangeslagen! Het spectrum komt zeer goed overeen met het theoretische spectrum dat werd berekend met geavanceerde wiskundige hulpmiddelen. Tweede auteur Kozoň: "De theorie voorspelt nul licht omdat deze betrekking heeft op een fictief oneindig uitgestrekt kristal. In ons echte eindige kristal is het uitgezonden licht niet nul, maar zo klein dat het een nieuw wereldrecord is!"
Efficiënte lichtbronnen
Deze nieuwe resultaten beloven een nieuw tijdperk voor efficiënte miniatuurlasers en lichtbronnen, voor qubits in fotonische circuits met sterk verminderde verstoringen (door ongrijpbare vacuümfluctuaties). Willem Vos is enthousiast: "Onze multi-toolbox biedt mogelijkheden voor compleet nieuwe toepassingen die profiteren van sterk gestabiliseerde aangeslagen toestanden. Deze staan centraal in de fotochemie en kunnen mogelijk gevoelige chemische nanosensoren worden."
Het team
Het onderzoek is gedaan door Andreas Schulz, Marek Kozoň, Jurriaan Huskens, Julius Vancso en Willem Vos van de Universiteit Twente. Andreas is promovendus op de COPS, MNF, MTP en SPC leerstoelen, Marek is een theoreticus en wiskundige die onlangs is afgestudeerd op de COPS en MACS leerstoelen (nu bij Pixel Photonics GmbH, een kwantumdetectoren bedrijf in Duitsland), Jurriaan is hoogleraar MNF, Julius hoogleraar (emeritus) MTP & SPC, en Willem hoogleraar COPS.
Het onderzoek is gefinancierd door NWO Echo CW contract 712.012.003, en door NWO-FOM (Marek), en door NWO-TTW Perspectief programma "Freeform scattering optics (FFSO)" (P15-36).
Het artikel
Het artikel getiteld "Strongly inhibited spontaneous emission of PbS quantum dots covalently bound to 3D silicon photonic band gap crystals" verschijnt in het Journal of Physical Chemistry C dat wordt gepubliceerd door de American Chemical Society (ACS). Het artikel is online beschikbaar.
