Diamantstructuur op chip dooft lichtbronnen uit

Na 25 jaar is het gelukt. Fysici van het Mesa+-instituut van de Universiteit Twente en van het Amolfinstituut in Amsterdam hebben lichtbronnen uitgezet. Nee, niet met een ordinaire schakelaar. Zij maakten een ‘fotonisch kristal’ – een kunstmatig kristal met eigenschappen die de fysici Eli Yablonovitch en Sajeev John een kwart eeuw geleden al schetsten. Die zijn zo gekozen dat licht in zo’n kristal niet kan bestaan, zodat een lichtbron er dus géén licht in kan uitzenden (Physical Review Letters, 4 november 2011). Een huzarenstukje dat ooit misschien perfecte lasers, leds, en andere gadgets oplevert.

Het kristal is gemaakt door met kunst- en vliegwerk een driedimensionale gaatjesstructuur in silicium te etsen. Elk gaatje heeft een doorsnee van krap 300 nanometer (miljoenste millimeter) en een diepte van ruwweg 8 micrometer (duizendste millimeter). De benodigde technieken komen gewoon uit de chipindustrie. De extra kunst is dat loodrecht op elkaar staande gaatjes heel precies ten opzichte van elkaar zijn uitgelijnd -– beter dan 20 nanometer. Zo ontstond een diamantstructuur met gaatjes op de plekken van atomen (en 2.000 keer groter dan een echte diamantstructuur).

Past daar een lichtbron in? Ja, wel de lichtbronnetjes die Willem Vos en zijn collega’s gebruikten. Zij dompelden het kristal in een suspensie van zwavellooddeeltjes die fungeerden als quantumdots. Ofwel: als kunstmatige atomen die spontaan licht kunnen uitzenden. Zoals ook atomen in neonlampen of leds doen.

Helemaal spontaan verloopt dat proces niet. Het treedt op als elektronen in een atoom, die eerst in een hogere energietoestand zijn gebracht, weer in hun oorspronkelijke toestand terugvallen en daarbij licht uitzenden. Dat lijkt spontaan te gebeuren als er geen waarneembare oorzaak is, maar in feite speelt wisselwerking met de omgeving mee. Preciezer: wisselwerking met quantumfluctaties. Nog preciezer: met de ruis van lichtdeeltjes die voortdurend, zelfs in vacuüm, kortstondig ontstaan en verdwijnen.

Ze zorgen voor ‘lichtvelden’ waarop de (kunstmatige) atomen kunnen reageren. Behalve in het nieuwe kristal dus: de structuur daarvan onderdrukt zelfs de kleinste ruis van zulke lichtvelden – en houdt zo deze lichtbronnen in hun hogere energietoestand gevangen.

Margriet van der Heijden

    • Margriet van der Heijden