Licht raakt opgesloten terwijl het ronddraait in minuscule korrels van een kristallijn materiaal dat natuurkundigen steeds meer heeft geïntrigeerd, een team onder leiding van de Universiteit van Californië, San Diego, natuurkundeprofessor Michael Fogler heeft gevonden.

Zeshoekig boornitride, gestapelde lagen boor- en stikstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster, is onlangs gevonden om elektromagnetische energie op ongebruikelijke en potentieel bruikbare manieren te buigen.

Vorig jaar toonden Fogler en collega's aan dat licht kan worden opgeslagen in korrels op nanoschaal van hexagonaal boornitride. Nu heeft Fogler's onderzoeksgroep een nieuw artikel in het tijdschrift gepubliceerd Nano-letters dat uitwerkt hoe dit ingesloten licht zich in de korrels gedraagt.

De deeltjes van licht, genaamd fonon polaritonen, niet gehoorzamen aan de standaardwetten van reflectie terwijl ze door de korrels stuiteren, maar hun beweging is niet willekeurig. Polaritonstralen planten zich voort langs paden onder vaste hoeken ten opzichte van de atomaire structuur van het materiaal, Folger's team meldt. Dat kan tot interessante resonanties leiden.

"De banen van de ingesloten polaritonstralen zijn in de meeste gevallen erg ingewikkeld, " zei Fogler. "Echter, bij bepaalde 'magische' frequenties kunnen ze eenvoudige gesloten banen worden."

Wanneer dat gebeurt, kunnen er "hot spots" van sterk versterkte elektrische velden ontstaan. Fogler's groep ontdekte dat die uitgebreide geometrische patronen kunnen vormen in korrels met een bolvorm.

De polaritonen zijn niet alleen deeltjes maar ook golven die interferentiepatronen vormen. Wanneer aangebracht op de hete contouren van versterkte elektrische velden, deze zorgen voor opvallend mooie beelden.

"Ze lijken op Fabergé-eieren, de met edelstenen bezette schatten van de Russische tsaren, ’ merkte Fogler op.

Naast het maken van prachtige beelden, hun analyse illustreert de manier waarop licht in het materiaal wordt opgeslagen. De patronen en de magische frequenties worden niet bepaald door de grootte van de sferoïde, maar door zijn vorm, dat is, de verhouding tussen omtrek en lengte. Uit de analyse bleek dat één enkele parameter de vaste hoek bepaalt waarlangs polaritonstralen zich voortplanten ten opzichte van het oppervlak van de sferoïden.

Wetenschappers beginnen praktische toepassingen te vinden voor materialen zoals hexagonaal boornitride die licht op de gebruikelijke manieren manipuleren. De theorie die dit werk opleverde, zou als leidraad kunnen dienen voor de ontwikkeling van toepassingen zoals nanoresonatoren voor kleurfiltering met hoge resolutie en spectrale beeldvorming, hyperlenzen voor subdiffractionele beeldvorming, of infrarood foton bronnen.

De analyse geeft een theoretische verklaring voor eerdere waarnemingen van ingesloten licht. Fogler en collega's suggereren verschillende experimenten die hun voorspelling van licht in een baan om de aarde kunnen bevestigen met behulp van geavanceerde optische technieken, waarvan sommige in uitvoering zijn, zei Fogger. "De experimentele zoektocht om polaritons in een baan om de aarde te detecteren is al begonnen."