Stichting FOM
20 september 2011, 2011/39
Nieuwe microscoop bepaalt hoe snel moleculen licht uitzenden
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben een nieuwe microscoop
gebouwd waarmee ze kunnen vastleggen, en zelfs kunnen controleren, hoe
snel een molecuul een foton (lichtdeeltje) uitzendt. Het meten doen ze
door lichtbronnen met een nauwkeurigheid van enkele nanometers door
heel kleine optische structuren te bewegen. Door de lichtbron op
specifieke plekken in de structuren te plaatsen kunnen ze ook
beïnvloeden hoe snel het licht uitgezonden wordt. Deze doorbraak is van
belang voor vele toepassingen, van kleine optische sensoren en optische
computer chips tot quantum-informatietechnologie. Het resultaat
verscheen 16 september in het prestigieuze tijdschrift Physical Review
Letters.
Figuur 1. Lichtbron beweegt over zilverdraad
vergroten Figuur 1. Lichtbron beweegt over zilverdraad
De eerste uitdaging is om een nano-lichtbron aan het uiteinde van een
zeer scherpe naald te lijmen. Vervolgens bewegen de onderzoekers de
lichtbron over de fotonische structuur - in dit geval een hele dunne
zilverdraad - om een landkaart te maken die vertelt hoe snel de
lichtbron licht uitzet, afhankelijk van waar hij is.
Figuur 2. Metingen met de lichtbron
vergroten Figuur 2. Metingen met de lichtbron
(a) Camerabeeld van de draad met de lichtbron, genomen op het moment
dat de bron precies bij de draad is geparkeerd. Niet alleen de bron
zelf (helder punt in midden van het camerabeeld) maar ook de uiteinden
van de draad lichten op, omdat de draad uitgezonden fotonen geleidt.
(b) Levensduurmetingen laten zien dat de tijd die het gemiddeld duurt
voor de lichtbron zijn foton uitgezonden heeft veel korter is (steile
curve) als de bron bij de draad is, dan wanneer de bron ver weg is van
de draad.
Hoe ontstaat een foton
Lichtbronnen zijn van enorm belang in ons leven. Denk aan dagelijkse
verlichting, maar ook bijvoorbeeld razendsnel dataverkeer door optische
fibers. Onderzoekers willen daarom precies begrijpen hoe licht ontstaat
en hoe ze dat kunnen beïnvloeden. Een molecuul dat 'geladen' is met een
energiepakketje kan zijn energie na een tijd uitzenden als een
lichtdeeltje. Hoe lang het molecuul erover doet voor het licht
verschijnt - de 'levensduur' - is niet alleen afhankelijk van het
molecuul, maar ook van zijn omgeving. Dus door de omgeving aan te
passen, kunnen onderzoekers bepalen wanneer het licht wordt
uitgezonden. Ze moeten hiervoor wel ultrakleine structuren ontwerpen,
kleiner dan 1000 nanometer, ofwel 1% van de dikte van een haar.
Landkaart
Zo'n ultrakleine fotonische structuur kun je in de praktijk alleen
toepassen als de lichtbron precies op de juiste plaats gezet kan
worden. FOM-oio Martin Frimmer heeft een nieuwe experimentele
opstelling gebouwd waarmee bronnen zeer precies - op enkele nanometers
nauwkeurig - verplaatst kunnen worden. De onderzoekers lijmen een
ultrakleine lichtbron aan het uiteinde van een zeer spitse naald. Ze
bewegen de naald door de fotonische omgeving en meten voor elke positie
de levensduur. Zo maken de onderzoekers een 'landkaart' die precies
vertelt waar de fotonische structuur de levensduur sterk verandert, en
waar niet. Met de landkaart kunnen de onderzoekers daarna de
lichtgevende moleculen precies daar plaatsen waar de eigenschappen het
beste zijn.
Metaaldraad
De onderzoekers laten met hun techniek zien dat lichtbronnen hun foton
ten minste twee maal sneller uitzenden wanneer de bron vlakbij het
uiteinde van een kleine metaaldraad gehouden wordt. Bovendien laten ze
zien dat als de lichtbron bij de draad geparkeerd is, de meeste
uitgezonden fotonen opgeslokt worden door de draad, die ze vervolgens
geleidt. Ongeveer zoals een optische fiber video-streams de huiskamer
in leidt, maar dan 1000x kleiner! De fotonische structuren kunnen in de
toekomst gebruikt worden om LED's efficiënter te maken en om
lichtbronnen te maken voor snelle en veilige datacommunicatie.
Contact