Verboden voor lichtgolven; AMSTERDAMSE FYSICI MAKEN BIJNA PERFECT FOTONISCH KRISTAL

In een fotonisch kristal kan licht van een bepaalde golflengte niet naar binnen. Na lang zoeken is een methode ontwikkeld om ze uitgaande van latexbolletjes te maken.

ZODRA WILLEM VOS met een zaklamp het onooglijke buisje met witte stof belicht, gebeurt er iets magisch. Afhankelijk van de hoek waaronder je kijkt, treden allerlei kleuren op en ontstaat er een soort paarlemoeren glans. Samen met Judith Wijnhoven heeft Vos er in het Van der Waals-Zeeman Laboratorium lang aan moeten werken om het licht zo zijn wil op te leggen. Maar sinds een paar maanden beschikken ze over een methode om regelmatige structuren te maken die lichtgolven effectief verhinderen binnen te dringen.

Toch zijn ze er nog niet helemaal: waar in één bepaalde richting bijvoorbeeld groen licht wordt buitengesloten - als gevolg van een verschijnsel dat Bragg-reflectie wordt genoemd - kan het onder een net iets andere hoek toch naar binnen. Het is nog net geen écht fotonisch kristal, een theoretisch voorspelde structuur die aan alle kanten licht van één bepaalde kleur uitsluit. Desondanks werden deze eerste resultaten veelbelovend genoeg geacht voor een artikel in Science (7 augustus). De concurrentie is groot: in vele laboratoria ter wereld proberen onderzoekers fotonische kristallen te maken, de mogelijke toepassingen voor deze exotische structuren zijn talrijk. Zo kunnen lasers er nog kleiner en efficiënter mee worden gemaakt, en fotonische kristallen openen wellicht de weg naar een werkbare versie van de optische computer.

HINDERNIS

Verbazingwekkend is dat laatste niet, want de 'klassieke' elektronische computer werkt met halfgeleiders als silicium. Die zijn van nature in staat met elektronen te doen wat Vos en zijn collega's met licht hopen te bereiken. Halfgeleiders beschikken over een zogenaamde bandgap, een verboden gebied voor elektronen van een bepaalde energie. Wie toch een elektrische stroom door silicium wil sturen, zal de elektronen een handje moeten helpen die hindernis te overbruggen. Het komt allemaal omdat elektronen zich ook als golven gedragen, en omdat de atomen in het siliciumkristal op zodanige afstand van elkaar zitten dat de elektronengolven van een bepaalde golflengte elkaar uitdoven. Ze kunnen dus niet aan geleiding bijdragen, anders geformuleerd: ze komen er niet in. Hiermee is tegelijk het grote probleem geschetst waarmee Vos te kampen heeft. Omdat licht een veel grotere golflengte heeft dan elektronen (400 à 800 nanometer in plaats van enkele tientallen nanometers), moet iemand die een 'optische halfgeleider' wil maken op zoek naar navenant veel grotere 'atomen'.

Veel is de afgelopen jaren uitgeprobeerd. In eerste instantie stortten fysici zich op het maken van fotonische kristallen voor microgolven. Die hebben een veel grotere golflengte, zodat je met conventionele technieken een aardig eind komt. Het was uitgerekend Eli Yablonovich, die als eerste op theoretische gronden de mogelijkheden van de fotonische kristallen voorspelde, die in 1991 zijn ideeën bij Bell Communications Research experimenteel wist te verwezenlijken. Volgens een van te voren bepaald patroon boorde hij in een blok kunststof in alle richtingen grote aantallen kleine, elkaar doorsnijdende gaatjes. Zo ontstond een grotendeels lege structuur, een soort Zwitserse kaas die microgolven reflecteerde. Zo'n grote verzameling gaatjes in een massief blok geeft exact hetzelfde resultaat als grote aantallen opeengestapelde bolletjes in lucht.

Vervolgens wilde het maar niet lukken om voor zichtbaar licht een soortgelijk kristal te maken. Het valt niet mee een heleboel gaatjes te boren met een diameter van een paar honderd nanometer. Lithografische technieken uit de chipsindustrie hadden beperkt succes en ook het regelmatig stapelen van bolletjes bleek makkelijker gezegd dan gedaan. Vos: “Ook wij hebben dat aanvankelijk geprobeerd. We deden dat met bolletjes titaandioxide, een pigment dat gebruikt wordt in witte verf. Maar het lukte niet om die mooi in een rooster te krijgen.”

De keuze viel op titaanoxide (titania, TiO) omdat het een hoge brekingsindex heeft: het verstrooit de lichtgolven sterk zonder ze te absorberen, essentieel voor het realiseren van een fotonische bandgap. Helaas waren de deeltjes zo grillig gevormd, dat ze zich niet regelmatig lieten stapelen.

Toen werd in Amsterdam het idee geboren de omgekeerde weg te bewandelen. Neem een materiaal dat uit zichzelf een regelmatige structuur vormt, en gebruik die als mal voor het te vormen fotonische kristal. Dat bleek wonderwel te lukken. Wijnhoven en Vos gingen uit van latexbolletjes, die als een waterige suspensie te koop zijn in zo ongeveer elke gewenste diameter, variërend van vierhonderd tot drieduizend nanometer. Ze werden in een lang en plat glazen buisje gecentrifugeerd, waarbij de bolletjes naar de bodem geslingerd werden. Daar vormden ze een regelmatige honingraatkristal, als sinaasappels in een kistje. Nadat het water uit de poriën tussen de deeltjes verdampt was, werd het vervangen door een organische titaanverbinding, die in een volgende stap reageerde met water uit de lucht. Zo werd uiteindelijk titania gevormd. Daarna hoefden alleen nog maar de latex bolletjes verwijderd te worden, hetgeen gebeurde door ze in een oven te verbranden. Het lijkt allemaal simpel, maar alles diende heel langzaam en gelijkmatig te verlopen, omdat de gevormde structuren bij elke stap wat krimpen en er dus gemakkelijk scheuren ontstaan. Doe je het goed, ontstaat er een prachtige regelmatige gatenstructuur, met de eerder genoemde paarlemoeren glans. Onder de elektronenmicroscoop werd duidelijk dat de orde in het fotonische kristal zich over grote afstanden uitstrekte.

MOOISTE MONSTERS

Toen van de mooiste monsters de reflectie werd gemeten, bleek inderdaad dat over een breed golflengtegebied het licht werd tegengehouden. Toch is dat nog niet voldoende, want onder bepaalde hoeken glipt het toch nog naar binnen. Vos: “We hebben nu een aantal mogelijkheden om verder te gaan. We kunnen proberen een andere vorm van titania te maken, die een nog hogere brekingsindex heeft. Maar het is ook mogelijk de dichtheid te veranderen, de hoeveelheid lucht per kubieke centimeter.” In welke richting men het moet zoeken, is nog onduidelijk. Vos spreekt van 'pittige discussies met theoreten' die moeite hebben de eigenschappen te berekenen. Deze week is hij opnieuw naar Canada afgereisd voor overleg.

Maar ook aan de nu verkregen structuren zijn heel aardige experimenten mogelijk. Zelf ziet Vos al toepassingen voor zijn gaatjesstructuren. Vorig jaar toonden Russische en Duitse natuurkundigen aan dat röntgenstralen iets kunnen worden afgebogen met behulp van een rij gaten in een metalen blok. Dat was een belangrijke ontdekking, tot dan toe was de enige manier om dat voor elkaar te krijgen nogal omslachtig en bovendien werkte het maar voor één bepaalde golflengte. Omdat de gaatjes in hun monsters zo klein zijn, hopen Wijnhoven en Vos dat er een röntgenlens met een heel korte brandpuntsafstand mee kan worden gemaakt. Ook zouden ze heel goed als moleculaire zeven dienst kunnen doen. Maar eerst moet die fotonische bandgap er komen. Niemand is ooit dichterbij geweest.