10 juli 2017
Trillende nanosnaren laten licht oversturen.
AMOLF-onderzoekers ontwikkelden nanosnaren waarvan de beweging ongekend krachtig kan worden omgezet in lichtsignalen. Dit biedt mogelijkheden voor extreem nauwkeurige sensoren én heeft een belangrijk bijeffect. "Analoog aan hoe een overstuurde gitaarversterker vervormde geluidsgolven produceert, leidt deze sterke omzetting van beweging naar licht tot vervormde lichtsignalen," zegt groepsleider Ewold Verhagen. "Maar die signalen bevatten extra informatie over de beweging, wat nieuwe manieren biedt om quantummechanische beweging te meten." De onderzoekers publiceerden hun resultaten 7 juli 2017 in Nature Communications.
Afbeelding 1 - Nonlinear
Artist impression: Minuscule trillingen van nanosnaren worden omgezet in licht- signalen. Normaal gesproken ontstaat een 'schoon' lichtsignaal (een gelijkmatige golf, in rood), maar de extreem sterke koppeling van beweging en licht zorgt voor vervormde lichtsignalen die lijken op de vervormde geluidsgolven van een overstuurde rockgitaar (blauwe golf). Bron: H.J. Boluijt.
Aafbeelding 2 - Nonlinear
Elektronenmicroscoopopname van de silicium nanosnaren die de vorm hebben van een zogenoemd sliced photonic crystal (boven). De trilling (midden, overdreven weerge- geven) heeft een versterkt effect op licht dat is gevangen tussen de 'tanden' van de snaren (onder).
Als een gitaarspeler het volume van de versterker volledig opvoert, worden de ‘schone’ harmonische trillingen van de gitaarsnaren omgezet in vervormde geluidsgolven. Dit ‘vieze’ geluid is vaak precies de bedoeling: het scheuren van opgevoerde gitaarversterkers heeft het geluid van rockmuziek decennia bepaald.
Samengeperst licht
De Photonic Forces groep van AMOLF bestudeert de interactie van licht met de beweging van silicium snaren op nanoformaat, die miljoenen keren per seconde trillen als kleine gitaarsnaren. De onderzoekers gebruiken licht om deze trillingen met extreme precisie te meten. Promovendus Rick Leijssen en zijn collega’s ontwikkelden snaren met een specifieke vorm die het licht samenpersen tot op enkele tientallen nanometers. “Door dat samenpersen wordt de mechanische beweging ongekend goed omgezet in lichtsignalen. Dit is een grote stap voorwaarts en maakt bewegingssensoren met extreme precisie mogelijk”, zegt Leijssen. “Zulke sensoren zouden trillingen kunnen detecteren met amplitudes zo klein als de grootte van een proton en kunnen worden toegepast om heel kleine krachten en massa’s te meten.”
Verwrongen signalen
De recordconversie van beweging naar licht in de nanosnaren heeft een bijeffect. De conversie is zo sterk dat zelfs voor de kleinste intrinsieke trillingen van de snaar het licht ‘overstuurd’ raakt, analoog aan wat er gebeurt in rockgitaarversterkers. Verhagen: “Net als in het scheurende geluid van een overstuurde versterker bevatten de lichtsignalen in ons experiment veel ‘boventonen’ van de fundamentele snaarfrequentie. Dit komt omdat de conversie tussen beweging en licht niet langer lineair is.”
Quantummechanisch gedrag onthullen
In zekere zin vormt deze niet-lineaire conversie een praktische limiet voor de bewegingsgevoeligheid. De vervormde lichtsignalen kunnen echter handig worden gebruikt. De AMOLF-fysici bestuderen kleine snaartrillingen namelijk onder andere om te onderzoeken of de snaren zich gedragen volgens de wetten van quantummechanica. Postdoc-onderzoeker Juha Muhonen: “De ‘boventonen’ van de geproduceerde lichtsignalen bevatten verschillende soorten informatie over de beweging van de nanosnaren. Zo hebben we laten zien dat we er heel precies de energie van de trilling mee kunnen bepalen. Dit kan leiden tot directe waarneming van gekwantiseerde energie in de snaar, zoals we zouden verwachten uit de theorie van quantummechanica.”
