Een miniatuurgevangenis voor fotonen, dat is de nanoholte die wetenschappers van de Universiteit Twente hebben ontdekt. Het is een extreem kleine holte omgeven door een optisch kristal, een structuur van poriën geëtst in twee loodrechte richtingen. Het opsluiten van fotonen in deze 3D-holte kan leiden tot kleine en efficiënte lasers en LED's, opslag van informatie of ultragevoelige lichtsensoren. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling B , een van de tijdschriften van de American Physical Society.

Technieken voor het vangen van licht vormen de basis van fotonica. Een bekende holte bestaat uit twee spiegels waartussen een staande golf wordt gevormd van een bepaalde kleur licht, afhankelijk van de afstand tussen de spiegels. Dit is het werkingsprincipe van een laser. Maar licht dat zijwaarts lekt, wordt nooit meer gereflecteerd. Is het mogelijk om een ​​foton op te sluiten in een driedimensionale 'gevangeniscel' omringd door spiegels? Het is inderdaad, demonstreren de UT-onderzoekers nu. de spiegels, in dit geval, worden gevormd door een driedimensionaal fotonisch kristal, bestaande uit poriën die in twee richtingen diep in silicium zijn geëtst, loodrecht op elkaar.

Fotonische kristallen staan ​​bekend om hun zeer bijzondere lichteigenschappen. Door de structuur en periodiciteit van de poriën kan alleen licht van bepaalde golflengten zich in het kristal voortplanten. Maar hoe creëer je een holte om een ​​foton in te vangen in een structuur als deze? In hun nieuwe krant de UT-onderzoekers laten zien dat dit kan door bewust de diameter van twee poriën te veranderen. Op hun kruispunt, een onregelmatigheid of defect vormt zich in het kristal. Deze kleine holte is omgeven door de periodieke kristalstructuur, het foton terug in de holte dwingen. Er is gewoon geen ontsnappen aan. "Onze berekeningen laten zien dat in dit kleine volume van de holte, de optische energie wordt verhoogd met maximaal 2, 400 keer vergeleken met de buitenkant van het kristal. Dit is een zeer grote verbetering, gezien de kleine afmetingen, " zegt Dr. Devashish, de hoofdauteur van het artikel.

lichtgewicht

Door de periodieke structuur plaatselijk te wijzigen, het kristal vertoont ook een aanzienlijke absorptie van zichtbaar licht, tot tien keer de absorptie van bulksilicium. "Deze sterke absorptie, in een heel klein volume, is een geweldige eigenschap voor nieuwe sensoren. Dankzij de hoge dichtheid van poriën, het kristal is erg licht van gewicht – we noemen dit ook wel 'gatigheid'", zegt prof. Willem Vos. Hij is groepsleider Complex Photonics Systems bij het MESA+ Instituut van de UT.

In eerdere publicaties de groep toonde aan dat diamantachtige fotonische kristallen een zeer breed scala aan kleuren licht voor alle hoeken kunnen reflecteren:deze resultaten leidden tot de nieuwe ontdekking die nu wordt gepresenteerd. In de komende generaties van fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's), de nanoholtes zullen naar verwachting een belangrijke rol spelen bij de behandeling van optische signalen, in informatieopslag of kwantumfotonische apparaten.

Het onderzoek is gedaan door de groep Complex Photonic Systems, samen met de groep Mathematics of Computational Science, beide van het MESA+ Instituut van de UT.

Het artikel "Driedimensionale fotonische bandgapholte met eindige ondersteuning:verbeterde energiedichtheid en optische absorptie" verscheen in Fysieke beoordeling B , Editie februari 2019.