Optische microcaviteit
Een optische microcaviteit is een piepklein ruimtelijk gebiedje, vaak niet groter dan de dikte van een haar, waarin licht wordt opgesloten. Twee spiegels, een rondje glas of een ringetje op een chip kaatsen het licht steeds opnieuw naar zichzelf terug, zodat het duizenden of zelfs miljoenen keren dezelfde weg aflegt voordat het ontsnapt. Vergelijk het met een balletje dat je tussen twee bijna perfect gladde spiegels laat stuiteren: in plaats van één keer weg te rollen, blijft het balletje eindeloos heen en weer gaan.
Dat opgesloten licht is niet zomaar een curiositeit. Doordat het zo lang op dezelfde plek blijft en zich in zo'n klein volume concentreert, wordt de interactie tussen licht en materie enorm versterkt. Een lichtdeeltje (foton) dat normaal maar heel kort en zwak contact maakt met een atoom, molecuul of stukje halfgeleider, krijgt in een microcaviteit veel meer kans om daadwerkelijk iets te doen. Dat effect vormt de basis van onder meer moderne lasers, extreem gevoelige sensoren en bouwstenen voor kwantumtechnologie.
Wat is het precies?
De kern van elke optische microcaviteit is een paar reflecterende grenzen die licht insluiten. Er bestaan grofweg drie families. De eerste is de Fabry-Pérottrilling: twee vlakke, sterk reflecterende spiegels die recht tegenover elkaar staan, met daartussen een piepklein tussenruimte waar het licht op en neer kaatst.
De tweede familie heet whispering-gallery-mode-resonatoren, genoemd naar het akoestische fluisterend-galerij-effect in ronde gebouwen zoals de koepel van de Sint-Pauluskathedraal in Londen, waar een fluistering langs de gebogen wand naar de overkant reist. In de optische versie loopt licht rond in een minuscuul bolletje, ringetje of donutvormig schijfje (een microtoroïde), vastgehouden door totale interne reflectie: het licht botst steeds onder een hoek tegen de gebogen rand en kan daar niet uit ontsnappen, net zoals licht binnen een glasvezel blijft.
De derde familie is de fotonische-kristalcaviteit: een minuscuul defect in een regelmatig patroon van gaatjes in bijvoorbeeld silicium, waardoor licht van een specifieke kleur op die ene plek gevangen zit terwijl het er overal elders niet doorheen kan.
Om te beschrijven hoe goed een caviteit licht vasthoudt, gebruiken onderzoekers de kwaliteitsfactor of Q-factor. Een hoge Q-factor betekent dat het licht heel veel omlopen maakt voordat het weglekt, vergelijkbaar met een kerkklok die lang blijft naklinken in plaats van meteen te dempen. Daarnaast telt het modevolume mee: hoe kleiner de ruimte waarin het licht is opgesloten, hoe intenser het elektrisch veld op die plek en hoe sterker de interactie met een atoom of molecuul dat zich daar bevindt.
Wanneer een lichtgevoelig deeltje, zoals een atoom, een kwantumdot of een kleurcentrum in diamant, zich middenin zo'n caviteit bevindt, kan het zijn energie veel sneller uitstralen dan normaal. Dit heet het Purcell-effect, vernoemd naar de natuurkundige Edward Purcell die dit in 1946 voorspelde. Is de koppeling tussen licht en deeltje sterk genoeg, dan ontstaat zelfs een nieuw, gemengd licht-materietoestand: de zogeheten sterke koppeling, een regime waarin foton en atoom energie in beide richtingen heen en weer uitwisselen voordat er iets verloren gaat.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderliggende doel is simpel te omschrijven: licht en materie zo intens mogelijk met elkaar laten praten, in een zo klein en energiezuinig mogelijk pakketje. Zonder caviteit is die interactie meestal zwak, omdat een los foton en een los atoom elkaar maar heel kort en toevallig tegenkomen.
Met die versterkte interactie hopen onderzoekers en bedrijven verschillende dingen te bereiken. Ten eerste betere lichtbronnen: lasers die met minder stroom feller of stabieler licht geven, en lichtbronnen die precies één foton tegelijk afgeven in plaats van een willekeurige hoeveelheid, essentieel voor kwantumcommunicatie. Ten tweede extreem gevoelige sensoren: omdat het licht zo vaak rondgaat, maakt zelfs een piepklein stofje of virusdeeltje dat tegen de rand van de caviteit landt, een meetbaar verschil in de resonantie. Ten derde stabiele frequentiemeetlatten voor precisiemetingen, navigatie en telecommunicatie. En ten vierde bouwstenen voor kwantumnetwerken, waarin caviteiten fungeren als een soort geheugen of interface tussen een stilstaand kwantumbit (bijvoorbeeld in een atoom) en een reizend foton dat de informatie door een glasvezel vervoert.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de eerste grote doorbraken kwam van de groep van natuurkundige H. Jeff Kimble aan Caltech, die in de jaren negentig en begin jaren 2000 liet zien dat een enkel atoom en een enkel foton in een microcaviteit zo sterk konden koppelen dat ze zich als één gecombineerd kwantumsysteem gedroegen, een mijlpaal in het vakgebied cavity quantum electrodynamics (kortweg cavity QED).
In 2007 toonden Pascal Del'Haye, Tobias Kippenberg en collega's (destijds aan Caltech) aan dat je in een glazen microtoroïde met slechts één ingaande laserbundel een heel spectrum van nieuwe, exact gelijkmatig verdeelde kleuren kon opwekken: een Kerr-frequentiekam op chipschaal. Kippenberg zette dit onderzoek later voort als hoogleraar aan de EPFL in Lausanne, Zwitserland, en dit soort compacte frequentiekammen wordt inmiddels onderzocht voor toepassingen als optische klokken, LiDAR en telecomnetwerken.
Een voorbeeld dat vrijwel iedereen al in zijn broekzak heeft, is de VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser), een laserdiode met een ingebouwde microcaviteit die loodrecht op het chipoppervlak licht uitstraalt. VCSELs zitten in laserprinters, optische computermuizen, glasvezelverbindingen voor datacenters, en in de gezichtsherkenning en dieptesensoren van smartphones.
In de biosensing werkte natuurkundige Stephen Arnold aan de New York University aan whispering-gallery-microbolletjes die zo gevoelig zijn dat ze in laboratoriumomstandigheden het aanhechten van een enkel viruspartikel of zelfs een los eiwitmolecuul aan hun oppervlak kunnen detecteren, door de minieme verschuiving die dat veroorzaakt in de resonantiekleur van de caviteit.
Ook in de kwantumtechnologie voor beveiligde communicatie spelen microcaviteiten een rol: onderzoekslabs, waaronder dat van Toshiba in Cambridge, ontwikkelen halfgeleider-kwantumdots in microcaviteiten die op aanvraag precies één foton afgeven, een bouwsteen voor kwantumsleuteldistributie.
Hoe ver is de techniek?
Het ontwikkelingsniveau loopt sterk uiteen per toepassing. VCSEL-lasers en Fabry-Pérotcaviteiten in gewone laserdiodes zijn al decennia volledig volwassen, massaal geproduceerde technologie die in miljarden apparaten zit. Dat deel van het veld is dus geen onderzoek meer, maar gevestigde industrie.
Chipgebaseerde frequentiekammen op basis van whispering-gallery-microresonatoren zitten in een tussenfase: de natuurkunde is goed begrepen en er bestaan werkende laboratoriumprototypes en de eerste commerciële toepassingen, bijvoorbeeld in precisiemeetapparatuur, maar grootschalige, goedkope productie op chipniveau is nog volop in ontwikkeling.
Toepassingen in de kwantumtechnologie, zoals enkelfotonbronnen, kwantumgeheugens en kwantumnetwerkknooppunten op basis van microcaviteiten, bevinden zich grotendeels nog in het laboratorium. De fysica is aangetoond, maar de praktische obstakels zijn aanzienlijk: caviteiten moeten met nanometerprecisie worden gefabriceerd, licht moet efficiënt in en uit de caviteit gekoppeld worden zonder verlies, en veel systemen werken alleen bij zeer lage temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Hoeveel jaar het duurt voordat dit soort systemen buiten het lab bruikbaar wordt, is nog onzeker; schattingen in de vakliteratuur lopen uiteen en hangen sterk af van welk materiaalplatform uiteindelijk wint.
Whispering-gallery-biosensoren voor virusdetectie hebben in het lab indrukwekkende gevoeligheid laten zien, maar zijn nog niet doorgebroken als routinematig diagnostisch instrument in ziekenhuizen; robuustheid buiten gecontroleerde laboratoriumomstandigheden blijft een uitdaging.
Wie werken eraan?
Academisch onderzoek naar optische microcaviteiten is wijdverspreid. In de Verenigde Staten blijven Caltech (met de erfenis van onder meer Kimble en Kerry Vahala) en de New York University (met het werk van Stephen Arnold) belangrijke centra. In Zwitserland zet de groep van Tobias Kippenberg aan de EPFL in Lausanne het onderzoek naar chipgebaseerde frequentiekammen voort. In Duitsland doet het Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, onder leiding van onder anderen Vahid Sandoghdar, baanbrekend werk aan het koppelen van losse moleculen aan microcaviteiten.
In Nederland is QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, actief betrokken bij onderzoek naar kwantumnetwerken waarin optische caviteiten en nanofotonische structuren fotonen koppelen aan stationaire kwantumbits. Ook andere Nederlandse universiteiten, zoals de Universiteit Twente, hebben onderzoeksgroepen op het gebied van fotonica en microresonatoren.
Aan de industriekant zijn fabrikanten van laserdiodes en VCSELs, zoals gevestigde halfgeleiderbedrijven, verantwoordelijk voor de massaproductie van commerciële microcaviteiten. Op het gebied van kwantumtoepassingen investeren bedrijven als Toshiba in onderzoek naar enkelfotonbronnen, terwijl grotere technologiebedrijven met kwantumcomputing-ambities, waaronder IBM en Google, fotonische interconnects en caviteitstechnologie verkennen als onderdeel van bredere kwantumhardwareprogramma's.