Luchtig kristal neemt licht in houdgreep

Canadese onderzoekers hebben voor het eerst een kristal gemaakt waarin licht naar believen is op te sluiten. Dat biedt zicht op optische schakelingen....

MIDDENIN de werkkamer van dr. Willem Vos in het Van der Waals-Zeeman-instituut in Amsterdam staat een groot zwart drumstel. En gisteravond heeft de universitair docent nog aan zijn vingertoppen gehangen in de plaatselijke klimmuur. Relaxed? Vergis je niet, zegt Vos, het is momenteel een gekkenhuis in zijn vak. 'Juist dan moet je soms even de zinnen verzetten.'

Vos heeft het artikel voor zich liggen dat collega's uit Canada (Toronto) en Spanje (Valencia en Madrid) deze week publiceerden in het Britse weekblad Nature (25 mei). Over een kristal van luchtig silicium dat bepaald infrarood licht zonder enig verlies weerkaatst. Wordt dat licht ín zo'n materiaal gebracht, dan zal het er bijna eindeloos in opgesloten blijven. 'De verwachte doorbraak', schat Vos opgetogen, al moet wat hem betreft nader meetwerk dat nog keihard aantonen.

Fotonische kristallen zijn een hot item. Op natuurkundeconferenties zijn de sessies over dat onderwerp opeens afgeladen vol. De optische firma Nanovation steekt negentig miljoen dollar in zulk onderzoek aan het MIT in Boston. Europese promovendi kunnen haast ongezien direct aan de slag in nieuwe Amerikaanse onderzoeksgroepen.

In de business van de fotonische kristallen heerst goudkoorts. Waarschijnlijk, is het algemene gevoel, worden deze dagen de materialen ontdekt die de hoofdrol zullen spelen in een geheel nieuwe IT-technologie. Elektronica heeft daarin afgedaan. Rekenen en schakelen van de toekomst gaat met licht.

Dat zou bijvoorbeeld beter aansluiten op de al bestaande communicatie via glasvezels. Nu moet elk lichtsignaal steeds naar een elektronisch signaal worden omgezet, elektronisch bewerkt, en weer naar licht omgezet. Al die omzettingen heen en terug kosten energie en tijd.

Cruciaal voor de gedroomde optische technieken is het verliesloos opslaan van lichtpulsjes in geheugenplaatsen. In 1987 beschreef de fysicus Eli Yablonovitch van BellCore, tegenwoordig verbonden aan de Universiteit van Californië, hoe dat in theorie te doen moest zijn. Door fotonische kristallen te maken van lichtverstrooiende deeltjes, waartussen lichtgolven heen en weer blijven kaatsen als hun golflengte precies tussen twee bolletjes past.

Yablonovitch, nu de godfather van het explosief groeiende vakgebied, deed ook verkennende experimenten, met microgolven in 'kristallen' van netjes gerangschikte pingpongballen in blokken kunsthars. Zijn theorie bleek correct: zulke materialen laten, eenmaal ingesloten, golven van de juiste golflengte niet meer los.

Sindsdien is met diverse technieken geprobeerd iets soortgelijks te construeren voor het vasthouden van licht. Lange tijd kwam men niet verder dan extreem dunne laagjes, die ook maar hooguit in één richting het gewenste opsluitgedrag vertoonden.

In 1998 publiceerden Vos en zijn collega dr. Judith Wijnhoven, nu verbonden aan de Universiteit Utrecht, een artikel in Science dat de kiem legde voor de huidige goldrush. Ze gebruikten ook een rooster van bolletjes, maar draaiden de rollen van lucht en materie om. De lege ruimtes tussen microscopische latexbolletjes in een kristal vulden ze op met titanium, waarna de latexbolletjes werden weggebrand. 'Inverse opalen', worden zulke poreuze luchtbolkristallen sindsdien wel genoemd. Net als de bekende halfedelstenen hebben ze in daglicht een parelmoerachtige glans.

Vos: 'Titaandioxide is niet ideaal, dat wisten we toen ook al, omdat het optisch nog niet voldoende verschilt van lucht.' Gevolg daarvan is dat het kristal niet in alle denkbare richtingen licht opsluit; in bepaalde richtingen blijft het nog steeds doorzichtig. Opslag van licht is dan nog steeds niet mogelijk.

Het artikel in Nature van Sajeev John van de universiteit van Toronto en materiaalexperts uit Canada en Spanje, over het eerste luchtbolkristal van silicium, gaat nog een stap verder. Silicium en lucht zijn optisch verschillend genoeg om licht in elke richting in zo'n luchtbolkristal vast te zetten.

Maar Vos is nog wat op zijn hoede. 'Ze rapporteren hier vooral de fabricage, via het neerslaan van gasvormige siliciumverbindingen in een bolletjesstructuur die daarna wordt weggeëtst. Dat ziet er goed uit. Maar het fotonisch karakter moet naar mijn smaak nog wel harder worden gemaakt. En dat zijn lastige metingen.' Lukt dat, dan zijn goedkope, volledig fotonische kristallen binnenkort algemeen beschikbaar. Vos werkt samen met groepen in Utrecht en St. Louis die hetzelfde nastreven.

Het is, waarschuwt Vos, nog vroeg in dit vak. Grote vraag blijft bijvoorbeeld hoe eenmaal in een kristal opgesloten licht op commando weer bevrijd zou moeten worden. De ontwikkelingen gaan echter razendsnel. Eind juni is er op Kreta een grote internationale workshop over photonic bandgaps, waar alle rivalen elkaar treffen met hun jongste resultaten. Wie weet wat daar nog weer opduikt.

Op Kreta worden de kaarten geschud? Vos wijst op een van de auteurs van het Nature-artikel van de Canadees-Spaanse concurrentie: Henry M. van Driel. Vorig jaar was deze Nederlandse Canadees een half jaar in Amsterdam, op sabatical. Er zijn net twee artikelen opgestuurd naar het topblad Physical Review Letters, van Vos en Van Driel samen. 'Je ziet, er is stevige concurrentie. Maar gelukkig niet helemaal op leven en dood.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden