Licht kun je persen

Zo laten de onderzoekers zien dat een goede focussering de omzetting van infrarood licht in zichtbaar licht kan versterken. Deze techniek om licht te focusseren zou twee bekende problemen wel eens kunnen helpen oplossen.  Bijvoorbeeld is dit proces van belang voor het maken van efficiëntere zonnecellen: zonlicht bevat veel infrarood, maar zonnecellen absorberen alleen zichtbaar licht. In de fotolithografietechniek uit de computerchipindustrie kan focussering helpen om tien maal kleinere structuren te maken dan nu et licht standaard mogelijk is.

Op AMOLF ontwikkelen wetenschappers zogenaamde ‘plasmonstructuren’. Daarmee kan uiteindelijk toch de diffractielimiet, die geldt voor gewone ‘doorzichtige’ optische materialen zoals glas, worden omzeild. De truc is om het licht te concentreren met behulp van elektronen in een metaal. Een deel van de energie van het licht wordt overgedragen op een heen- en weergaande beweging van elektronen. Zo’n ladingsoscillatie heet ook wel plasmon. Hij is gelokaliseerd vlak aan het grensvlak van het metaal met de lucht. Door licht met behulp van een tralie te koppelen aan plasmonen is het dus mogelijk om licht te binden aan metaaloppervlakken. 

In het vlak worden de plasmonen echter niet vanzelf gebundeld. Om dat te bereiken maakten de Amsterdamse onderzoekers in de metaalfilm een nauwe spits, die als een soort trechter voor plasmonen werkt. Een brede plasmongolf die aan de wijde kant van de trechter ontstaat, wordt steeds nauwer samengeperst, naarmate hij de spits dichter nadert, waardoor ook de energiedichtheid naar de spits toe toeneemt. Dat de lichtintensiteit inderdaad sterk toeneemt naar de punt van de trechter toe, hebben de onderzoekers aangetoond door te kijken naar een niet-lineair optisch proces dat ‘opconversie’ heet: hierbij worden vier infrarode fotonen uit de plasmonbundel (golflengte 1490 nanometer) omgezet in één foton met meer energie (golflengte 550 nanometer, dus zichtbaar licht). Dit proces is bij de spits van de trechter het sterkst, omdat daar de plasmonbundel het meest gefocusseerd is. De versterkte omzetting van infrarood in zichtbaar licht is onder meer van belang in zonnecellen. Die absorberen namelijk niet het infrarode deel van het zonlicht maar wel zichtbare fotonen.

Waar de plasmontrechter een oplossing is om een plasmonbundel te focusseren in bijvoorbeeld een optische chip, lost het niet alle problemen met de diffractielimiet op. In een tweede artikel laten de onderzoekers in samenwerking met collega’s van de Universiteit van Amsterdam en van Auburn University in de Verenigde Staten zien hoe plasmonen kunnen helpen om de diffractielimiet te verbreken bij het proces van fotolithografie, het proces dat halfgeleidergiganten als Intel, IBM, AMD en ASML geperfectioneerd hebben om steeds weer kleinere elektronische schakelingen te maken. Bij fotolithografie wordt een masker (een soort dia) geprojecteerd op een fotogevoelige laag (de ‘resist’).

Fotolithografie heeft twee nadelige eigenschappen. Het eerste nadeel is dat de kleinst mogelijk af te beelden transistor maximaal de golflengte van licht heeft. Het tweede is dat het masker zeer duur is om te maken en eenmaal gemaakt niet meer is te veranderen; er zijn dus met een bestaand masker geen veranderingen in de afbeelding mogelijk. De onderzoekers van AMOLF laten in hun publicatie zien dat maskers van zilverdeeltjes beide beperkingen uit de weg kunnen ruimen. Door een masker van zilverdeeltjes dicht tegen de resist aan te drukken en het geheel met een ongefocusseerde lichtbundel te belichten, wordt de resist alleen plaatselijk belicht door de hoge lichtintensiteit die nabij de deeltjes ontstaat. De kleinste lengteschaal is nu de afstand tussen de deeltjes, die 10 maal kleiner is dan de golflengte van het licht waarmee het masker belicht wordt.

De verrassende vondst van de Amsterdamse onderzoekers is dat de precieze afbeelding niet vast ligt door het masker, maar nog geprogrammeerd kan worden. De hoge intensiteiten ontstaan namelijk niet bij alle deeltjes in het masker in gelijke mate. In plaats daarvan kunnen allerlei verschillende mogelijke patronen ontstaan die gekozen kunnen worden door de kleur en de hoek van inval van het licht slim te veranderen