Nanodraadjes houden licht gevangen

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en het instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (Amolf) in Amsterdam hebben uitgezocht hoe het komt dat nanodraden van zinkoxide licht kunnen geleiden. Standaard passen lichtgolven namelijk niet in objecten met dimensies kleiner dan hun golflengte. Aangezien zichtbaar licht een golflengte van 400 tot 700 nanometer heeft, laat het zich dus normaalgesproken niet ’opsluiten‘ in draden die weliswaar enkele micrometers lang zijn, maar niet meer dan paar honderd nanometer dik zijn. De Utrechtse onderzoekers van de vakgroep Gecondenseerde Materie en Grensvlakken en hun Amsterdamse collega‘s van het Amolf toonden aan dat deze zogenaamde diffractielimiet te omzeilen is door licht aan elektronen te binden. Volgens de wetenschappers zijn de lichtgeleidende nanodraadjes geschikt voor optische communicatie tussen chips.

Wetenschappers weten al langer dat licht door nanodraden kan reizen, zelfs via scherpe bochten. ’Wij hebben laten zien hoe dat kan‘, zegt Bert van Vugt, die als promovendus aan het project werkt. Zijn team vond bewijzen voor exciton-polaritonen in het zinkoxide. Polaritonen zijn het resultaat van een elektromagnetische koppeling tussen fotonen en een aangeslagen toestand van een deeltje. Een exciton is een gebonden elektron-gatpaar dat ontstaat door een elektron in een halfgeleidermateriaal aan te slaan. Als excitonen licht opnemen, vormen ze een polariton. Na de opname blijven de polaritonen een poosje bestaan totdat ze het licht weer uitzenden. In de tussentijd is het licht gebonden aan het materiaal en kan het zich er gemakkelijk doorheen bewegen.

Van Vugt: ’We hebben ook een wereldrecord gevestigd. De binding tussen lichtgolf en exciton is zó sterk, dat deze bij kamertemperatuur intact blijft. Bij een materiaal als galliumarsenide vallen de polaritonen al boven -150 graden Celsius uit elkaar. Wij hebben onze draden energie gevoerd met lasers en zelfs tot 300 graden bleven ze licht binden.‘ Er is voorspeld dat exciton-polaritonen de basis kunnen vormen voor een efficiëntere laser met een bijzonder mechanisme. ’Sommige groepen claimen deze al te hebben gemaakt. Zelf hebben we ook laserwerking waargenomen maar we kunnen nog niet zeggen waar dat vandaan komt. Het kan net zo goed op basis van een klassiek mechanisme zijn‘, aldus Van Vugt. De laserwerking op nanoschaal is interessant omdat lichtgeleiders met vergelijkbare dimensies als elektronische circuits gemaakt zouden kunnen worden. Daarmee zouden componenten en zelfs hele computers sneller met elkaar kunnen communiceren. Intel maakte pas geleden melding van een hybride siliciumlaser die daar ook geschikt voor zou kunnen zijn (Bits&Chips 15, 2006).