Nieuw chipje zet kleur van licht duizend keer efficiënter om

Licht van de ene kleur omzetten in licht van een andere kleur klinkt eenvoudig, maar is technisch lastig. Toch is deze zogeheten frequentieconversie cruciaal voor glasvezelinternet en voor toekomstige kwantumcomputers. Bestaande oplossingen gebruiken kristallen als lithiumniobaat, maar die zijn moeilijk klein en goedkoop te maken. Een internationaal onderzoeksteam presenteert nu een alternatief: een chip die de conversie duizend keer efficiënter uitvoert dan een gewone, onbewerkte halfgeleiderplak.

Licht vangen op nanoschaal

De kern van de vinding bestaat uit twee onderdelen die samen zijn ontworpen. Eerst bouwden de onderzoekers een halfgeleider van galliumarsenide en aluminiumgalliumarsenide, opgestapeld in extreem dunne laagjes die bekendstaan als kwantumputten. Die laagjes creëren energieniveaus waarin licht en materie sterker op elkaar inwerken dan in gewoon materiaal. Vervolgens plaatsten de wetenschappers bovenop dit materiaal een laag met miniatuurzuiltjes, een zogeheten metaoppervlak. Deze nanopilaren bundelen het elektromagnetische veld van het licht in het materiaal, waardoor de lichtintensiteit sterk toeneemt op precies de plek waar de conversie moet gebeuren.

Belangrijk is dat de nanopilaren ook de symmetrie van dat veld sturen. Zonder die sturing kunnen verschillende lichtgolven elkaar juist uitdoven in plaats van versterken. Door materiaal en nanostructuur gelijktijdig te ontwerpen, wisten de onderzoekers dit te voorkomen. Het resultaat: een niet-lineaire optische respons die drie ordes van grootte hoger ligt dan bij een onbewerkte wafer. De onderzoekers testten het effect bij nabij-infrarood licht, de golflengte die glasvezelnetwerken gebruiken.

Kleinere onderdelen voor telecom en kwantumtechniek

Federico Capasso, hoogleraar aan Harvard en betrokken bij het onderzoek, noemt de combinatie van materiaalontwerp en metaoppervlak een creatieve aanpak. Volgens hem is de niet-lineaire respons hierdoor niet alleen sterker geworden, maar ook bruikbaar gemaakt voor optica die niet via een golfgeleider loopt maar vrij door de ruimte. Dat opent de deur naar compactere apparaten die golflengtes kunnen genereren die met gewone lasers lastig te maken zijn.

Een mogelijke toepassing ligt bij fotonische kwantumsystemen: bronnen van verstrengelde fotonenparen, die nodig zijn voor kwantumcommunicatie en kwantumcomputers. Omdat het platform gebruikmaakt van bekende halfgeleidermaterialen en platte nanofabricagetechnieken, sluit het bovendien aan op bestaande productieprocessen voor chips. Dat maakt het makkelijker om de technologie ooit te integreren in compacte, in massa geproduceerde fotonische chips. Pernille Undrum Fathi, promovenda in het lab van Capasso en eerste auteur van de studie, noemt de demonstratie een eerste stap die de weg opent voor verder onderzoek op het snijvlak van nanofotonica en materiaalkunde. De Universiteit van Texas in Austin ontwikkelde het kwantumputmateriaal, terwijl het Harvard-team het metaoppervlak en de elektromagnetische velden ontwierp. De studie verscheen in het vakblad Nature Nanotechnology.