Lichtbronnen in fotonisch kristal zijn regelbaar

Onderzoekers van de universiteiten van Twente en Utrecht zijn er in geslaagd in speciale nanostructuren (fotonische kristallen) de emissie van licht naar believen te onderdrukken of juist te stimuleren. De efficiëntie van een lichtbron neemt daardoor toe en omdat het licht bovendien meer in één specifieke richting wordt uitgezonden, is de effectieve lichtopbrengst nog groter. Daarmee zijn lichtbronnen in fotonische kristallen interessant voor toepassingen als microlasers en LED's (bijvoorbeeld in displays) en als lichtbronnen die fotonen één voor één uitzenden, bijvoorbeeld voor de bewerking van quantuminformatie in een quantumcomputer (Nature, 5 augustus).

Een fotonisch kristal bestaat uit een regelmatige rangschikking van twee verschillende materialen, meestal een of ander halfgeleidermateriaal en lucht. In Twente hebben Willem Vos en zijn collega's de afgelopen jaren methoden ontwikkeld om in titaandioxide (het hoofdbestanddeel van witte verf) een honingraatstructuur van duizenden luchtbolletjes aan te brengen, elk niet meer dan een paar honderd nanometer groot. Omdat de onderlinge afstand van de bolletjes vergelijkbaar is met de golflengte van het licht, treden er interferentie-effecten op. Die leiden ertoe dat bepaalde kleuren van het licht niet langer in staat zijn het kristal binnen te dringen.

Vos heeft ditmaal onderzocht wat er gebeurt als in zo'n structuur minuscule lichtbronnetjes worden opgenomen. Ze gebruikten cadmiumselenide-deeltjes met afmetingen van een paar nanometer die, net als atomen, licht uitzenden als ze worden aangeslagen (in een hogere energietoestand worden gebracht). Afhankelijk van de onderlinge afstanden tussen de luchtbolletjes in het fotonische kristal kon het cadmiumselenide worden gedwongen zijn licht in veel hoger, dan wel in veel lager tempo uit te zenden. En naarmate het licht er sneller uitkomt, is de intensiteit hoger.

Vorige maand lieten onderzoekers van de universiteit van Kyoto zien dat ook op andere manieren de emissie van licht uit een fotonisch kristal valt te sturen. Zij deden dat door bewust fouten in de regelmatige rangschikking aan te brengen (Science, 9 juli). Door staafjes halfgeleidermateriaal laagje voor laagje als boomstammen op elkaar te stapelen, verkregen ze een regelmatige structuur die het lichtgevende nanokristalletjes binnenin die structuur onmogelijk maakte infrarood licht uit te zenden. Alleen op de plekken waar de regelmatige stapeling was onderbroken, kon het licht wel naar buiten treden.

Fotonische kristallen blijken daarmee eens te meer over dezelfde eigenschappen te beschikken die het `klassieke' halfgeleiders als silicium mogelijk maken om elektronen te manipuleren, hetgeen de basis vormde voor de ontwikkeling van de computerchip. Beide experimenten betekenen een belangrijke stap voorwaarts op weg naar een soortgelijke beheersing van fotonen in dit soort `optische halfgeleiders'.