Licht in nanokanaaltje gepropt

Alsof je een walvis door een afvoerpijp laat zwemmen. Daarmee kan je de opmerkelijke prestatie vergelijken om licht door een kanaaltje, vijfhonderd keer smaller dan de golflengte te persen. De mogelijkheden voor creatieve uitvinders zijn enorm. Denk alleen al aan veel betere infrarood zonnepanelen en gevoeliger nachtkijkers.

Gaatjes zuigen licht op
Stel je voor dat alle licht dat op de muren van je huis valt, alsnog door de ruiten naar binnen gaat. Bij ‘power funneling’ blijkt dat er meer licht door de gaatje reist dan je zou verwachten als je het totale oppervlak van de gaatjes vergelijkt met die van de rest van het oppervlak. Dit bizarre effect heet in fysisch vakjargon extraordinary optical transmission (EOT) en wordt veroorzaakt omdat lichtdeeltjes die het oppervlak raken, worden omgezet in plasmons (oppervlaktetrillingen). Deze plasmons bewegen dan weer door de trechters heen. Dit proces berust echter op resonantie, waardoor alleen een heel nauw bereik van golflengtes (kleuren) kan worden geoogst. Het is uiteraard zeer interessant om het licht van een breed spectrum, bijvoorbeeld alle zichtbare licht, te kunnen concentreren. Dan zou je er bijvoorbeeld een zonnecel mee kunnen bouwen. Daarvoor is het nodig niet-resonante technieken te ontwikkelen. Ook zijn de ontwerpeisen zo veel minder streng.

Breed spectrum kan worden geoogst en geconcentreerd
Dat concept ontwikkelen is nu gelukt. De onderzoekers stellen een structuur voor van kanaaltjes die veel en veel smaller zijn dan de golflengte van het licht. Hun apparaat bestaat uit een patroon van kleine en grote rechthoekige spleten, geëtst in een dun goudlaagje op een draagstof. Terwijl de grote spleten zorgen dat er meer licht wordt geoogst door de kleine spleten, zorgen de kleine spleten dat het licht nog nauwer op wordt gesloten en daarmee wordt versterkt.

Veel gevoeliger infrarood detectoren
In hun model bereiken ze een hoge concentratiefactor van licht, denk aan factor dertien tot twintig. Hun structuur is afgestemd op infrarode (warmte) straling. Mensen laten overal zwakke, kortdurende infraroodsporen achter, die je door middel van dit gevoelige proces kunt waarnemen. Ook kunnen infrarood-detectoren, mogelijk ook infrarood draadloze verbindingen en allerlei meetapparatuur veel nauwkeuriger worden.

Het gaat hier om structuurtjes op nanoschaal. Op dit moment is nanofabricage snel aan het evolueren, zodat deze kleine structuurtjes vermoedelijk binnen enkele jaren al geproduceerd kunnen worden. Weliswaar kunnen de kleine spleetjes nog smaller (wat de versterkingsfactor nog meer zou vergroten), maar kwantum tunneling, waardoor de energie weglekt, gaat dan roet in het eten gooien. Ook komen ze zo aan de grens van wat nanofabricage aankan.

Onderzoekers G. Subramania en I. Bremer van Sandia National Laboraties in Californië en S. Foteinopoulou van de Britse universiteit van Exeter hebben hun concept oktober 2011 gepubliceerd in het vooraanstaande natuurkundige vakblad Physical Review Letters.

Bron:
G. Subramania, et al. “Nonresonant Broadband Funneling of Light via Ultrasubwavelength Channels.” Physical Review Letters, 107, 163902 (2011)