Mislukt experiment biedt verrassend inzicht in lichtverstrooiing

Licht draait onophoudelijk rond in glazen ring met deeltjes silicium Caltech Caltech

Een vergeefse zoektocht naar een siliciumlaser heeft een groep Nederlandse en Amerikaanse natuurkundigen tot een verrassend inzicht gebracht in de verstrooiing van licht. Waar verstrooid licht normaal gesproken volstrekt onhandelbaar is en alle kanten op schiet, blijft het, eenmaal opgesloten in een ringetje, keurig zijn rondjes draaien. Het is voor het eerst dat dit vijftig jaar geleden voorspelde effect zo duidelijk is waargenomen (Physical Review Letters, 10 juli).

In 2000 ontdekte een team Italiaanse natuurkundigen dat onder bepaalde omstandigheden nanokristalletjes van silicium licht kunnen versterken, een proces dat ten grondslag ligt aan de werking van een laser. Dat veroorzaakte behoorlijk wat opwinding, omdat een laser gemaakt van silicium, het basismateriaal van de computerchipindustrie, een uitkomst zou betekenen: een natuurlijke manier om het internet (dat met lichtpulsen in glasvezels werkt) te integreren met de computertechnologie.

Vandaar ook dat Nederlandse natuurkundigen van het AMOLF in Amsterdam besloten om samen met Amerikaanse collega’s van Caltech een poging te ondernemen om een siliciumlaser te bouwen. Ze vulden een minuscuul ringetje met nanodeeltjes van silicium, met afmetingen van enkele nanometers, en lieten daar licht in rondtollen. In zo’n structuur, een trilholte, kan het licht zichzelf versterken en kan er laserwerking optreden. Maar wat ze ook probeerden, het silicium was niet aan het laseren te krijgen.

Toch draaide het experiment niet op een teleurstelling uit. Albert Polman en zijn collega’s realiseerden zich namelijk dat er iets vreemd aan de hand was: het licht in het ringetje zou eigenlijk sterk verstrooid moeten worden door de kleine siliciumdeeltjes, het ringetje uit. Maar dat gebeurde niet: meer dan 99,8% van het licht bleef gevangen. Nader onderzoek wees uit dat dit effect sterk lijkt op wat vijftig jaar geleden al door de Amerikaanse Nobelprijswinnaar Edward Purcell werd voorspeld voor een lichtbron in een trilholte. Die straalt zijn licht ook vooral de trilholte in en niet naar buiten. Lasers in DVD-spelers zijn bijvoorbeeld op dit principe gebaseerd. Ook verstrooid licht blijkt nu dus niet aan de trilholte te kunnen ontsnappen.

    • Rob van den Berg