ENGINEERINGNET.BE - In moderne laboratoriumexperimenten gebruiken natuurkundigen ultradunne optische coatings, ofwel meta-oppervlakken.
Deze structuren zijn meestal enkele tientallen tot honderden nanometers dik, en kunnen licht buigen, focussen of op andere manieren manipuleren.
De mogelijkheden van optica op de nanoschaal zijn tot nu toe nog wat beperkt. Het grootste probleem is dat de meeste meta-oppervlakken statisch zijn: als ze eenmaal zijn gemaakt, kan hun gedrag niet meer worden veranderd.
Voor toekomstige technologieën hebben wetenschappers juist optische componenten nodig die actief kunnen worden afgesteld, om met licht te kunnen bewerkstelligen wat we nu alleen in elektronische schakelingen kunnen.
Natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam hebben recent echter een actief instelbaar meta-oppervlak weten te realiseren.
Aan de basis ligt een nieuw quantummateriaal: een enkele 2D laag van wolfraamdisulfide, ofwel WS2. De unieke eigenschappen van dit materiaal stelden de onderzoekers in staat een nanospiegel voor rood licht te bouwen die kan worden aan- en uitgezet.
De belangrijkste doorbraak die de onderzoekers tot hun succes leidde, was de constructie van een meta-oppervlak dat licht in zichzelf opsluit, precies daar waar de WS2-laag zich bevindt. Hierdoor wordt de interactie tussen licht en materie ongewoon sterk.
Zo sterk, dat quantumeffecten binnen de WS2-laag bij kamertemperatuur blijven bestaan, zodat het apparaat met recordefficiëntie presteert.
Als wolfraamdisulfide licht absorbeert, wordt een elektron aangeslagen en naar een hoger energieniveau getild. Door de opsluiting in de atomair dunne laag blijven het negatief geladen elektron en het positief geladen gat dat het elektron achterlaat door elektrostatische aantrekkingskracht aan elkaar gebonden, waardoor een exciton ontstaat.
Dit quantummechanische verschijnsel vormt de kern van de regelbaarheid van het apparaat. Dankzij de excitonen reflecteert het in de aan-stand licht met specifieke golflengten in het rode deel van het zichtbare spectrum, en vormt het een nanospiegel
Omdat excitonen erg gevoelig zijn voor de ladingsdichtheid in het materiaal, kunnen ze effectief worden onderdrukt door daar spanning op te zetten. Hierdoor wordt in de uit-stand al het rode licht geabsorbeerd en niets ervan meer gereflecteerd.
Het onderzoek toont aan dat excitonen in 2D materialen kunnen worden gebruikt om compacte, actieve optische componenten te maken met allerlei toepassingen. Deze aanpak biedt tal van mogelijkheden voor toepassingen waar licht snel en nauwkeurig moet worden gestuurd.
Bijvoorbeeld optische communicatieverbindingen waarbij lichtbundels draadloos data door de lucht verzenden, of optische computers waarbij fotonen informatie overbrengen met hoge snelheid en laag energieverbruik.
