Dit kristal stuurt licht vanzelf in een rechte baan, zonder chiptechniek

Licht dat uit een bron komt, verspreidt zich normaal gesproken in alle richtingen, net als rimpels in het water na een steen. Voor toepassingen zoals glasvezelinternet of optische chips is dat lastig: daar moet licht juist in een vaste baan blijven. Nu hebben natuurkundigen van de Universiteit van Stuttgart en het Italiaanse onderzoeksinstituut IIT in Milaan ontdekt dat een bepaald kristal dit probleem vanzelf oplost, zonder de dure fabricagetechnieken die daar normaal voor nodig zijn.

Geen kanaaltjes nodig

Voor optische chips gebruiken fabrikanten meestal minuscule fotonische kanaaltjes die met lithografie en etsen in een oppervlak worden gekerfd. Dat proces is precies, tijdrovend en kostbaar. Het team onder leiding van professor Harald Giessen (Stuttgart) en dr. Antonio Ambrosio (IIT) plaatste in plaats daarvan een piepklein gouden antennetje op een laagje van het materiaal molybdeenoxychloride (MoOCl₂) en bescheen dat met infraroodlaserlicht. Het licht bleef daarna vanzelf binnen een smal pad, alsof het door een onzichtbaar kanaal werd geleid.

De onderzoekers noemen dit effect plasmon-canalisatie: het licht wordt omgezet in een golf van bewegende elektronen, een plasmon, die door de kristalstructuur als vanzelf in een nauw pad wordt gedwongen. De vergelijking met water dat door een kanaal wordt geperst dringt zich op, vandaar de naam.

Een kristal met twee gezichten

De verklaring zit in de bijzondere opbouw van MoOCl₂. Het materiaal gedraagt zich langs de ene kristalrichting als een metaal, waardoor elektronen er collectief kunnen golven en energie goed doorgeven. Loodrecht daarop gedraagt hetzelfde materiaal zich juist als isolator, die dat golfgedrag onderdrukt. Dat sterke verschil in gedrag, in de vakwereld anisotropie genoemd, perst de lichtgolf als vanzelf in één richting. De onderzoekers gebruikten een gevoelige microscoop, een zogeheten SNOM, om deze piepkleine lichtpatronen zichtbaar te maken. Opvallend genoeg bleek het effect sterk afhankelijk van de golflengte van het licht: bij ongeveer 4 micrometer trad de strakke canalisatie op, bij 5 micrometer verspreidde het licht zich juist weer rondom, en bij 3 micrometer ontstond een tussenvorm.

Voor de proeven gebruikte het team een verstelbare infraroodlaser van het Stuttgartse spin-offbedrijf Stuttgart Instruments en een SNOM-microscoop van het Duitse attocube systems. Beide bedrijven komen voort uit universitair onderzoek.

Belofte voor chips en kwantumtechniek

Omdat het materiaal zelf de looprichting van het licht bepaalt, is er geen kostbare nanostructurering meer nodig. Dat kan de productie van optische verbindingen tussen chips, nanoschaal-lichtcircuits en zelfs onderdelen voor kwantumtechnologie in de toekomst eenvoudiger en goedkoper maken. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology.