In een bijzonder materiaal met een heleboel piepkleine gaatjes kan licht voortbewegen zonder terug te kaatsen. Het licht weerkaatst zelfs niet als het een scherpe hoek om gaat, tonen onderzoekers van onderzoeksinstituut AMOLF en de TU Delft aan. Handig voor bijvoorbeeld fotonische chips, die werken met licht in plaats van elektronen.
Het bijzondere materiaal, een zogeheten fotonisch kristal, bestaat uit twee siliciumdelen met elk een net ander gaatjespatroon. Op het oog is dit verschil nauwelijks zichtbaar. Maar het zorgt ervoor dat het licht zich enkel in één richting langs het grensvlak tussen de twee delen wil bewegen. ‘Daardoor kan het niet terugkaatsen als het een hoek of een obstakel tegenkomt’, vertelt AMOLF-groepsleider Ewold Verhagen, die het onderzoek leidt samen met TU Delft-collega Kobus Kuipers.
Topologische gatenkaas
De gaatjes in het fotonische kristal zijn kleiner zijn dan de golflengte van het licht. Daardoor manipuleert de structuur van het materiaal het licht dat er doorheen probeert te bewegen.
Fotonische kristallen worden al langer gebruikt om licht langs een bepaald pad te leiden. Nu moet dat pad nog heel precies aangelegd worden en is het lastig om bochten te maken. Dan kaatst het licht namelijk terug in de richting waar het vandaag kwam.
Dit weten de onderzoekers nu te voorkomen door twee soorten fotonisch kristal te gebruiken. Het verschil tussen die twee delen zit in de zogeheten topologie. Topologie is de wiskundige beschrijving van de eigenschappen van een structuur die behouden blijven bij vervormingen waarbij niet wordt ‘gescheurd’ en ‘geplakt’.
Dat betekent dat een donut en een koffiekopje topologisch gezien hetzelfde zijn, omdat ze allebei één gat hebben. Als ze beide van klei waren zou je, zonder scheuren en plakken, van een koffiekopje een donut kunnen maken en omgekeerd. Een krakeling, die drie gaten heeft, is daarentegen wél topologisch anders dan een donut.
Draaiend licht
De manier waarop het licht door het bovenste deel van het materiaal kan bewegen, is topologisch anders dan bij het onderste gedeelte. ‘Als je je op het grensvlak tussen de twee delen bevindt, is het alsof je boven je een donut-topologie hebt en onder je die van een krakeling’, vertelt Verhagen.
Daardoor gebeurt er op dit grensvlak iets bijzonders. Licht dat door het materiaal wordt gestuurd, kan maar in één richting langs dat grensvlak bewegen. Welke kant het licht op reist, hangt af van een eigenschap van het licht, genaamd circulaire polarisatie. Dat is de draairichting van het elektrisch veld van het licht.
‘Licht dat rechtsom draait, kan bijvoorbeeld alleen voortbewegen als het de krakeling aan de rechterkant heeft en de donut aan de andere kant’, legt Verhagen uit. ‘Dat licht kan onmogelijk terugbewegen, omdat de krakeling dan links zit en de donut rechts.’
Dat is ook de reden dat het licht ongehinderd een hoek om gaat. Als het een hoek tegenkomt, kan het namelijk alleen de krakeling rechts houden en de donut links door de hoek om te slaan. Verhagen: ‘Daardoor kan het licht zelfs bij een scherpe bocht niet terugkaatsen.’
Dat is handig als je licht bijvoorbeeld met grote precisie over minuscule circuits van fotonische chips wilt sturen.
Eurekamoment
‘We zijn niet de enige die hier aan werken’, zegt Verhagen. ‘De wiskunde erachter is bijvoorbeeld al eerder beschreven door theoretici. Wat aan ons onderzoek nieuw is, is dat we voor het eerst de lichtgolven in het materiaal hebben zien bewegen. Daarmee hebben we aangetoond dat het licht niet terugkaatst en welke invloed de draairichting van het elektromagnetische veld heeft. Het was een eurekamoment in het lab toen we zagen dat als je de draairichting van het licht verandert van linksom naar rechtsom, dat het licht dan ineens de andere kant op schiet door het materiaal.’
