Skip to content
Home » Beheersing van interacties tussen licht en materie in siliciummeta-oppervlakken

Beheersing van interacties tussen licht en materie in siliciummeta-oppervlakken

    Beheersing van interacties tussen licht en materie in siliciummeta-oppervlakken
    Zonnecel

    Tegoed: Unsplash/CC0 Publiek domein

    De interactie van licht met materie vormt de kern van processen in de natuur en in de samenleving. In een zonnecel wordt bijvoorbeeld licht omgezet in een elektrische stroom, maar de efficiëntie van dit conversieproces kan worden verbeterd. Een manier om dit te bereiken is door licht op te vangen met zogenaamde optische holtes.


    Voor zijn Ph.D. onderzoek onderzocht Gabriel Castellanos Gonzalez het gebruik van siliciummeta-oppervlakken om licht-materie-interacties te reguleren.

    Spannende prikkels

    Om de interacties tussen licht en materie in technologieën zoals zonnecellen of verlichtingsapparatuur te controleren en te verbeteren, moet licht worden opgesloten in het betreffende materiaal. Dit wordt bereikt met behulp van een optische holte, een apparaat dat licht vangt in een eindige ruimte. Het eenvoudigste voorbeeld van een optische holte bestaat uit twee parallelle gekromde spiegels waarin licht wordt opgesloten door de reflecties van elke spiegel.

    Optische holtes zorgen ervoor dat de interactie van licht en materie een regime bereikt dat bekend staat als sterke koppeling, waarbij licht en materie moeten worden behandeld met behulp van de principes van de kwantummechanica. Dit betekent dat licht en materie worden behandeld als deeltjes met een bekende kwantumtoestand. Voor licht is het deeltje een foton, terwijl het voor materie een exciton is – wat een materietoestand is die wordt gevormd door een aangeslagen negatief geladen elektron dat is gebonden aan het positieve gat dat achterblijft nadat het elektron is geëxciteerd om het te verlaten.

    Excitonen worden aangetroffen in sommige anorganische halfgeleiders zoals GaAs (galliumarsenide), en in veel organische moleculen. In het sterke koppelingsregime vormen het foton en het exciton een nieuwe toestand die een superpositie is van de eerste. Dat betekent dat het zowel licht als materie is. Deze hybride toestand, bekend als exciton-polaritonen (het exciton is een materieel deeltje en het polariton is een foton dat in een holte is opgesloten) erft eigenschappen van beide en leidt tot interessante fysica zoals verbeterde diffusielengtes, robuustheid tegen wanorde, zeer lage effectieve massa’s en niet-lineariteiten.

    Een belangrijk gevolg is dat deze hybride toestand, het exciton-polariton, een overgang kan ondergaan naar een Bose-Einstein-condensaat, een toestand van materie waarin alle deeltjes hetzelfde energieniveau bezetten en zich daarom gedragen als een macroscopische kwantumtoestand. Dit heeft interessante toepassingen voor coherent laserachtig licht en quantum computing.

    De behoefte aan de juiste optische holte

    Het ontwerp van de holte is echter van cruciaal belang voor de ontwikkeling van elke toepassing en in de praktijk werkt het eenvoudigste voorbeeld van twee parallelle spiegels niet. De vereisten voor zeer kleine en compacte apparaten vereisen precisieapparaten op lengteschalen van enkele micrometers.

    Verder is een andere belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden de optische verliezen van het apparaat en de energie die nodig is om het apparaat te laten werken. Optische verliezen verwijzen naar de lekkage van licht dat in de holte is opgesloten. Hoe groter de lekkage van licht buiten de spouw, hoe groter de lichtinval om dit verlies te compenseren. Momenteel vereist een Bose-Einstein-condensaat van exciton-polaritonen een te hoge drempel voor condensatie, en de gebruikte holtes ondervinden aanzienlijke verliezen.

    In zijn Ph.D. onderzoek onderzoekt Gabriel Castellanos een nieuw type holte op basis van halfgeleidermaterialen, met name silicium, die zeer lage materiaalverliezen hebben. Door zich te wenden tot ontwerpreeksen van nanoantennes gemaakt van silicium, kon Castellanos de hoeveelheid licht regelen die de optische holte verliet. Dankzij deze innovatie hebben Castellanos en zijn medewerkers bijna volledige controle over de verliezen die het apparaat ondervindt.

    Periodieke systemen

    Een centraal aspect van deze innovatie is het begrijpen van de fysica van periodieke systemen en hun symmetrieën. Terwijl één nanoantenne licht in alle richtingen uitstraalt, werken twee of meer nanoantennes die samen uitstralen op elkaar in en hun straling interfereert, waardoor ze elkaar optellen of opheffen.

    Door periodiek veel nano-antennes te plaatsen, creëert dit effect van interactie en interferentie licht dat in het periodieke gebied wordt opgesloten en dat slechts in een paar goed gedefinieerde richtingen kan ontsnappen. Symmetrieën zijn ook kritisch. De periodieke structuren van nanoantennes kunnen worden ontworpen om licht te creëren met een ruimtelijke symmetrie die buiten de holte niet bestaat. Licht in de spouw kan niet ontsnappen vanwege de verschillende ruimtelijke symmetrie. Het resultaat is dat licht voor altijd kan worden opgesloten.

    Een dergelijke beheersing van verliezen kan een aanzienlijke impact hebben op de drempels voor Bose-Einstein-condensatie en belooft in de toekomst deze verliezen verder te verminderen. Dit is een belangrijke stap op weg naar de realisatie van compacte kwantumapparaten op basis van excitonpolaritonen.


    Sterke licht-materie koppeling in organische kristallen


    Informatie:
    Beheersing van licht-materie-interacties in siliciummeta-oppervlakken. research.tue.nl/en/publicatie … silicon-metasurfaces

    Aangeboden door de Technische Universiteit Eindhoven

    citaten: Beheersing van licht-materie-interacties in siliciummetasurfaces (2022, 7 oktober) opgehaald op 7 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-light-matter-interactions-silicon-metasurfaces.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.