Nieuwe fotonen openen deuren naar geavanceerde optische technologieën

Verschillende fotonische orbitalen ontstaan in een fotonisch kristal superrooster.

In atomen bezetten minuscule elementaire deeltjes, elektronen genaamd, gebieden rond de kern in vormen die orbitalen worden genoemd. Deze orbitalen geven aan hoe waarschijnlijk het is dat een elektron zich in een bepaald gebied van de ruimte bevindt. Kwantummechanica bepaalt de vorm en energie van de orbitalen. Net als bij elektronen beschrijven onderzoekers het gebied van de ruimte waar een foton zich waarschijnlijk bevindt ook met orbitalen.

In elke gekke vorm die je maar bedenkt
Onderzoekers van de Universiteit Twente bestudeerden deze fotonische orbitalen en ontdekten dat ze met een zorgvuldig ontwerp van specifieke materialen deze orbitalen met een grote verscheidenheid aan vormen en symmetrieën kunnen maken en controleren. Deze resultaten hebben potentiële toepassingen in geavanceerde optische technologieën en kwantumcomputers.

Eerste auteur Kozon legt uit: “In de scheikundeboeken draaien de elektronen altijd rond de kleine atoomkern in het centrum van de baan. De vorm van een elektronenbaan kan dus niet veel afwijken van een perfecte bol. Met fotonen kunnen de orbitalen elke wilde vorm hebben die je ontwerpt door verschillende optische materialen te combineren in ontworpen ruimtelijke ordeningen”.

Makkelijker te ontwerpen
De onderzoekers voerden een computationele studie uit om te begrijpen hoe fotonen zich gedragen wanneer ze worden opgesloten in een specifieke 3D-nanostructuur die bestaat uit minuscule poriën (een fotonisch kristal). Deze holtes zijn opzettelijk ontworpen met ‘defecten’, waardoor een superstructuur ontstaat die de fotonische toestanden isoleert van de omringende omgeving. Natuurkundigen Vos en Lagendijk zijn enthousiast: “Gezien de rijke gereedschapskist in de nanotechnologie ontwerpen we veel eenvoudiger vernuftige nanostructuren met nieuwe fotonische orbitalen dan we atomen aanpassen om nieuwe elektronische orbitalen en scheikunde te realiseren.”

Geavanceerde optische technologieën
Fotonische orbitalen zijn belangrijk voor de ontwikkeling van geavanceerde optische technologieën, zoals efficiënte verlichting, kwantumcomputers en gevoelige fotonische sensoren. De onderzoekers bestudeerden ook hoe deze nanostructuren de lokale dichtheid van optische toestanden verbeteren, wat belangrijk is voor toepassingen in de kwantumelektrodynamica van holtes. Ze ontdekten dat structuren met kleinere defecten een grotere verbetering vertonen dan structuren met grotere defecten. Dit maakt ze geschikter voor het integreren van zogeheten quantum dots en het creëren van netwerken van enkele fotonen.