Een team van onderzoekers van het Nederlandse instituut AMOLF, Westerse Universiteit (Canada), en de Universiteit van Texas (Verenigde Staten van Amerika) hebben onlangs het gebruik van algoritmisch ontwerp aangetoond om een ​​nieuw type nanofotonische structuur te creëren. Dit is goed nieuws voor onderzoekers in optische kwantumcomputers en fotovoltaïsche energie, omdat de structuur de gerichtheid van emitters op nanoschaal aanzienlijk verbetert (in lichtemitterende diodes, of enkelvoudige fotonbronnen) en absorbers (in zonnecellen of fotodetectoren). De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Natuurcommunicatie op 9 november, 2018.

Directiviteit beschrijft de verhouding van lichtemissie in een bepaalde richting tot het totaal over alle andere richtingen. Het is vaak nuttig dat emitters een hoge gerichtheid hebben, zodat alle fotonen die door een bron op nanoschaal worden gecreëerd, elders kunnen worden verzameld. Dit is met name waardevol in toepassingen voor optische kwantumcomputers waarin het verzamelen van enkele fotonenzenders een uitdaging blijkt te zijn.

Verder, verbetering van de gerichtheid is ook gunstig voor fotovoltaïsche apparaten op nanoschaal; door het actieve absorptiemateriaal in zonnecellen uitsluitend met de zon te koppelen, kan de fotospanning aanzienlijk verbeteren. Dit kan worden begrepen door middel van een analogie:wanneer een materiaal wordt verwarmd met zonlicht, het wordt warmer als het alleen energie uitwisselt met de zon, en niet met de relatief koudere omgeving.

Directiviteit op nanoschaal

Hoewel gerichtheid een zeer voordelige eigenschap is voor emitters en absorbers, het verhogen van het voor apparaten op nanoschaal kan een uitdaging zijn. Op zulke kleine lengteschalen, licht gedraagt ​​zich zowel als een deeltje als als een golf, waardoor het ontwerp van structuren met subgolflengtekenmerken zo ingewikkeld wordt dat de intuïtie van de prestaties van een optisch element uiterst beperkt is. Het ontwerpen van structuren met behulp van algoritmen lost dit op, waardoor optische simulaties met volledige golf de geometrie van het nanofotonische object volledig kunnen dicteren. Het onderzoeksteam gebruikte een evolutionair algoritme, om meerdere generaties structuren te creëren met toenemende prestaties. Dit resulteerde in gerichtheidswaarden die die van klassieke structuren zoals sferische lenzen met meer dan een factor drie overtroffen.

Om de haalbaarheid van deze constructies aan te tonen, een proof of concept-apparaat werd experimenteel gefabriceerd. Dit apparaat omvatte het printen van een nanolensstructuur bovenop een galliumarsenide-nanodraad met behulp van een femtoseconde gepulste lasertechniek. Dergelijke GaAs-nanodraden werden gebruikt vanwege hun relevantie in fotovoltaïsche apparaten, terwijl het ook een handig testsysteem biedt vanwege hun hoge kwantumefficiëntie (aantal fotonen uit per foton erin).

Terwijl de nanolenzen de gerichtheid van de nanodraadstralers drastisch verbeterden, de waargenomen prestatie was nog steeds minder dan het computationele ontwerp had voorspeld. Echter, door een kleine verschuiving op te nemen tussen het emissiecentrum en het midden van de lens, nieuwe simulaties waren in staat om het waargenomen gedrag te reproduceren. Deze offset trad waarschijnlijk op in de experimentele monsters, omdat de nanodraden primair uitzenden vanuit een klein gebied nabij een van hun uiteinden (overeenkomend met de positie van de interne diodeovergang in de draad). De moeilijkheid om zich aan te passen aan deze emitterende locatie bleek de grootste beperking in de waargenomen prestatie te zijn, gevolgd door het feit dat deze emissie nog steeds uit een eindig gebied kwam (geen enkel punt, zoals aangenomen in de ontwerpsimulaties). Dit geeft aan dat het verplaatsen naar meer beperkte emitter- of absorberstructuren gemakkelijk beide bronnen van verminderde prestaties zou kunnen aanpakken, en bieden nog meer directief gedrag zonder de lens of fabricagetechnieken te hoeven veranderen.