Een nieuwe techniek ontwikkeld door MIT-onderzoekers onthult de innerlijke details van fotonische kristallen, synthetische materialen waarvan de exotische optische eigenschappen het onderwerp zijn van wijdverbreid onderzoek.

Fotonische kristallen worden over het algemeen gemaakt door miljoenen dicht bij elkaar gelegen, minuscule gaatjes in een plak transparant materiaal, met behulp van variaties van microchip-fabricagemethoden. Afhankelijk van de exacte oriëntatie, maat, en de afstand tussen deze gaten, deze materialen kunnen een verscheidenheid aan bijzondere optische eigenschappen vertonen, inclusief "superlensing, " die een vergroting mogelijk maakt die verder gaat dan de normale theoretische limieten, en "negatieve breking, " waarin licht wordt gebogen in een richting tegengesteld aan zijn pad door normale transparante materialen.

Maar om precies te begrijpen hoe licht van verschillende kleuren en uit verschillende richtingen door fotonische kristallen beweegt, vereist uiterst complexe berekeningen. Onderzoekers gebruiken vaak sterk vereenvoudigde benaderingen; ze mogen bijvoorbeeld alleen het gedrag van licht in een enkele richting of voor een enkele kleur berekenen.

In plaats daarvan, de nieuwe techniek maakt het volledige scala aan informatie direct zichtbaar. Onderzoekers kunnen een eenvoudige laboratoriumopstelling gebruiken om de informatie weer te geven - een patroon van zogenaamde "iso-frequentiecontouren" - in een grafische vorm die eenvoudig kan worden gefotografeerd en onderzocht, in veel gevallen elimineren van de noodzaak van berekeningen. De methode wordt deze week beschreven in het journaal wetenschappelijke vooruitgang , in een paper van MIT-postdoc Bo Zhen, recent afgestudeerd aan Wellesley College en MIT-filiaal Emma Regan, MIT-hoogleraren natuurkunde Marin Soljacic en John Joannopoulos, en vier anderen.

De ontdekking van deze nieuwe techniek, Zhen legt uit, kwam tot stand door goed te kijken naar een fenomeen dat de onderzoekers al jaren hadden opgemerkt en zelfs gebruikt, maar waarvan ze de oorsprong niet eerder hadden begrepen. Patronen van verstrooid licht leken uit te waaieren uit monsters van fotonische materialen wanneer de monsters werden verlicht door laserlicht. De verstrooiing was verrassend, omdat de onderliggende kristallijne structuur in deze materialen bijna perfect was gefabriceerd.

"Als we zouden proberen een lasermeting uit te voeren, we zouden altijd dit patroon zien, " zegt Zhen. "We zagen deze vorm, maar we wisten niet wat er gebeurde." Maar het hielp hen wel om hun experimentele opstelling goed op elkaar af te stemmen, omdat het verstrooide lichtpatroon zou verschijnen zodra de laserstraal goed was uitgelijnd met het kristal. Na zorgvuldige analyse, ze realiseerden zich dat de verstrooiingspatronen werden gegenereerd door kleine defecten in het kristal - gaten die niet perfect rond van vorm waren of die van het ene uiteinde naar het andere licht taps toeliepen.

"Er is een fabricagestoornis, zelfs in de beste monsters die kunnen worden gemaakt, " zegt Regan. "Mensen denken dat de verstrooiing erg zwak zou zijn, omdat het monster bijna perfect is, " maar het blijkt dat bij bepaalde hoeken en frequenties, het licht verstrooit zeer sterk; maar liefst 50 procent van het invallende licht kan worden verstrooid. Door het monster beurtelings te verlichten met een reeks verschillende kleuren, het is mogelijk om een ​​volledige weergave op te bouwen van de relatieve paden die lichtstralen nemen, over het hele zichtbare spectrum. Het verstrooide licht geeft een direct zicht op de isofrequentiecontouren - een soort topografische kaart van de manier waarop lichtbundels van verschillende kleuren buigen als ze door het fotonische kristal gaan.

"Dit is een heel mooi, zeer directe manier om de iso-frequentiecontouren te observeren, "zegt Soljacic. "Je schijnt gewoon licht op het monster, met de juiste richting en frequentie, " en wat eruit komt is een direct beeld van de benodigde informatie, hij zegt.

De bevinding kan mogelijk nuttig zijn voor een aantal verschillende toepassingen, zegt het team. Bijvoorbeeld, het zou kunnen leiden tot een manier om grote, transparante schermen, waar het meeste licht rechtdoor zou gaan als door een raam, maar licht van specifieke frequenties zou worden verstrooid om een ​​duidelijk beeld op het scherm te produceren. Of, de methode zou kunnen worden gebruikt om privédisplays te maken die alleen zichtbaar zijn voor de persoon direct voor het scherm.

Omdat het berust op onvolkomenheden in de fabricage van het kristal, deze methode zou ook kunnen worden gebruikt als een kwaliteitscontrolemaatregel voor de vervaardiging van dergelijke materialen; de afbeeldingen geven niet alleen een indicatie van de totale hoeveelheid onvolkomenheden, maar ook hun specifieke aard - dat wil zeggen, of de dominante stoornis in het monster afkomstig is van niet-cirkelvormige gaten of etsen die niet recht zijn, zodat het proces kan worden afgestemd en verbeterd.

Het team omvatte ook onderzoekers van het MIT Research Laboratory of Electronics, waaronder Yuichi Igarashi (nu bij NEC Corporation in Japan), Ido Kaminer, Chia Wei Hsu (nu aan de Yale University), en Yichen Shen. Het werk werd ondersteund door het Army Research Office via het Institute for Soldier Nanotechnologies aan het MIT, en door het Amerikaanse ministerie van Energie via S3TEC, een Energy Frontier Center.