Gouden lint vertraagt platgeslagen licht

vergroten Figuur 1. Gouden lint

 


Optische microscoopopname van de structuur voor het vertragen van plat licht. Het gouden lint ligt op een glassubstraat en loopt van onderen naar boven. Over een lengte van 55 micrometer bevat het lint aan weerszijde kartels van 1,25 micrometer diep. Helemaal onderaan is een deel van een groter goudoppervlak zichtbaar waar licht wordt gevangen en omgezet in oppervlakteplasmonen die vervolgens richting de structuur worden gelanceerd. 

vergroten Figuur 2. Ultrakorte plasmonpuls

Op de vier ‘flitsfoto’s’, gemaakt met een speciale microscoop, plant een ultrakorte plasmonpuls zich voort langs een gouden lint zonder kartels. Tussen de opnames zit slecht 48 ´ 10-15 seconde. Uit de verplaatsing van de puls als functie van de tijd, kunnen wetenschappers de voortplantingssnelheid van de puls gemakkelijk bepalen. 

vergroten Figuur 3. Snelheid van de puls



De grafiek toont de positie van de piek van een oppervlakteplasmonpuls als functie van de tijd (1 picoseconde = 10-12 seconde) in een gouden lint met kartelrand. De helling van de rechte lijnen die door de meetpunten zijn getrokken is gelijk aan de snelheid van de puls. Het is duidelijk dat de puls in het deel van de structuur zonder kartels (zie figuur 1) sneller gaat (= grotere helling) dan wanneer de puls zich tussen de kartels bevindt.

Communicatie met licht
Licht is in staat om veel meer informatie tegelijkertijd te vervoeren dan met elektronische signalen. Internet via de glasvezelkabel gaat vele malen sneller dan via de koperen telefoonlijn: al het internetverkeer tussen Amerika en Europa gaat door glasvezelkabels. Het grote voordeel van licht is niet zozeer dat het zo snel gaat, want elektrische signalen gaan ook bijna met de lichtsnelheid. Het voordeel zit hem er in dat er zo veel verschillende kleuren zijn om informatie te transporteren. In jargon zegt men: de beschikbare bandbreedte is groot. Elke kleur kan andere informatie meedragen. Vervolgens reizen alle kleuren tegelijkertijd door dezelfde glasvezelkabel zonder dat ze elkaar storen. Maar hoewel je met licht per seconde al snel duizendmaal meer informatie kan versturen dan elektrische stroompjes, is een glasvezel ook al snel duizend keer dikker dan een koperdraadje in een elektrische chip. Dit is geen probleem voor een kabel die op de bodem van de Atlantische oceaan ligt, maar voor optische chips in pc’s en in sensoren moet alles zo klein mogelijk.

Plat licht
Optische chips kleiner maken is niet eenvoudig: lichtgolven laten zich moeilijk vangen. Aan het grensvlak tussen een metaal en een transparant materiaal als lucht of glas, kunnen de golven echter worden gevangen in de vorm van een zogeheten oppervlakteplasmon. In het metaal bevinden zich vrije elektronen; dit zijn dezelfde elektronen die verantwoordelijk zijn voor het transport van elektriciteit. In deze zee van elektronen kunnen golven ontstaan (plasmonen) met afwisselend hoge en lage elektrondichtheid net zoals geluidsgolven bestaan uit afwisselend hoge en lage druk.

Aan het grensvlak bestaat een speciale versie van deze golven, het oppervlakteplasmon, waarin continu energie wordt uitgewisseld tussen de beweging van de trillende elektronen en lichtgolven. Het is als het ware alsof licht plat is gemaakt op het metaaloppervlak. Via deze oppervlakteplasmonen komen de voordelen van elektronische schakelingen (klein), en die van licht (veel informatie tegelijkertijd verwerken) samen. In principe kan licht in de vorm van oppervlakteplasmonen zich voortplanten langs de minuscule metalen draadjes die nu ook al in elke pc zitten. 

Langs een gouden lint 
Oppervlakteplasmonen planten zich normaliter met een snelheid voort die in de buurt komt van de lichtsnelheid. De materialen aan weerzijde van het grensvlak en de frequentie bepalen de voortplantingssnelheid. Voor een gegeven frequentie, bijvoorbeeld de frequentie die we voor telecommunicatie gebruiken, ligt de snelheid vast. Om optisch dataverkeer te kunnen regelen is het echter essentieel om deze snelheid te kunnen beïnvloeden. Een zogeheten optische router moet bijvoorbeeld lichtsignalen even in de wacht kunnen zetten. Wetenschappers zijn er al eerder in geslaagd de snelheid van ‘normaal’ driedimensionaal licht te manipuleren.

Marijn Sandtke en Kobus Kuipers van het Center for Nanophotonics op het FOM- Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam zijn er nu voor het eerst in geslaagd om oppervlakteplasmonen oftewel tweedimensionaal licht af te remmen. De onderzoekers gebruikten hiervoor een gouden lint van drie micrometer (0,003 millimeter) breed en vijftig nanometer (0,00005 millimeter) dik, met langs een deel van de draad aan weerzijden een kartelrand, zie figuur 1. Het resultaat was een zeer compacte structuur: slechts 55 micrometer in lengte. Het smalle deel tussen de kartels vormt een obstakel voor het oppervlakteplasmon dat zich van onder naar boven voortplant. Iedere blokkade werkt als een soort halfdoorlatende spiegel en kaatst een deel van de golf terug en laat ook een deel door. Hierdoor ontstaat er naast de golf die van onder naar boven reist een nieuwe golf de andere kant op. Deze twee golven interfereren met elkaar, resulterend in een nieuwe golf. Hoe beter de golflengte van de golf past op (tweemaal) de periode van de kartelrand, hoe langzamer de nieuwe golf langs de kartels beweegt. Met een unieke microscoop, speciaal ontwikkeld voor het meten van het gedrag van oppervlakteplasmonen (figuur 2), maten de onderzoekers dat de kartels de ultrakorte puls (pulsduur 120 ´10-15 seconde) met een factor twee vertraagde (figuur 3). Het vertragen van een dergelijk korte puls was nog nooit eerder vertoond, laat staan met een factor twee. De onderzoekers vertraagden de kleur licht (frequentie) die gangbaar is in telecommunicatie. 

Langzame oppervlakteplasmonen zijn niet alleen toepasbaar in telecommunicatie. Commercieel verkrijgbare sensoren kunnen met oppervlakteplasmonen extreem kleine concentraties specifieke moleculen, bijvoorbeeld drugs of eiwitten, detecteren. Een oppervlakteplasmon dat zich tweemaal zo langzaam voortbeweegt leidt tot een viermaal zo grote gevoeligheid. In de publicatie rekenen de onderzoekers voor dat als zij langere laserpulsen gaan gebruiken de gemaakte structuur voor vertraging met een factor honderd kan zorgen; met een potentieel voor ongekend gevoelige sensoren tot gevolg.

Referentie: Het artikel ‘Slow guided surface plasmons at telecom frequencies’ wordt gepubliceerd in de oktober uitgave van Nature Photonics ( http://www.nature.com/nphoton/index.html). De auteurs zijn Marijn Sandtke en Kobus Kuipers.