UGent en imec observeren interactie tussen licht en geluid in nanodraad

Silicium fotonica maakt extreme licht-materie interactie mogelijk

Onderzoekers van UGent en imec hebben als eerste ter wereld interactie tussen licht en geluid in nanoschaal golfgeleiders aangetoond. Hun bevindingen, die gisterenavond op de website van het befaamde magazine Nature Photonics werden gepubliceerd, verklaren de koppeling tussen licht en geluid op zeer kleine schaal. Ze effenen het pad naar betere signaalverwerking met massa-produceerbare fotonische chips.

De voorbije jaren is de aandacht voor silicium fotonica sterk toegenomen, onder meer met het oog op lab-on-a-chip biosensoren en supersnelle communicatie tussen computer chips. De technologie is gebaseerd op silicium nanodraden, structuurtjes die ongeveer honderd keer dunner dan een menselijk haar zijn. De draden brengen optische signalen van één punt naar een ander aan de lichtsnelheid. Doordat ze met dezelfde toestellen worden geproduceerd als standaard elektronische circuits, kunnen ze in grote hoeveelheden en goedkoop geproduceerd worden.

Deze draadjes werken enkel omdat het licht trager beweegt in de silicium kern van de draad dan in de lucht en het glas die de kern omgeven. Het licht zit dus gevangen in de draad door een fenomeen dat totale interne reflectie heet. Het licht geleiden in de draad is één zaak, maar het ook nog manipuleren is een ander verhaal. Het is niet eenvoudig om met één lichtstraal de eigenschappen van een andere lichtstraal te veranderen. Dit is waar de interactie tussen licht en materie een rol speelt: het laat toe om met behulp van sommige fotonen (lichtdeeltjes) andere fotonen te controleren.

De onderzoekers van UGent en imec hebben nu precies dergelijke interactie tussen licht en materie gerealiseerd [1]. Ze zijn er in geslaagd om niet alleen licht, maar ook geluid op te sluiten in de nanodraden. Het geluid trilt een miljoen keer sneller dan het menselijk gehoor kan waarnemen. In tegenstelling tot licht beweegt geluid net sneller in de silicium kern dan in de omringende materialen: totale interne reflectie werkt niet voor geluid in de nanodraden. Door omgeving van de kern zo aan te passen dat elke trilling teruggekaatst wordt, slaagden de onderzoekers er toch in geluid op te sluiten in de kern.

Gevangen in die ongelofelijk kleine structuur, gaan licht en geluid elkaar sterk beïnvloeden: licht genereert geluid en geluid verandert de kleur van licht. Die interactie hebben de onderzoekers gebruikt om bepaalde kleuren van het licht te versterken. Hiermee ontstaan nieuwe manieren om optische informatie te verwerken. Zo zouden bijvoorbeeld lichtpulsen omgezet kunnen worden in geluidspulsen en dan weer in licht, wat zeer interessant is voor optische communicatie doeleinden. De onderzoekers verwachten dat gelijkaardige technieken kunnen toegepast worden op nog kleinere structuren, zoals virussen en DNA. De akoestische eigenschappen van deze deeltjes zouden iets kunnen vertellen over hun globale structuur.

[1] R. Van Laer, B. Kuyken, D. Van Thourhout and R. Baets. Interaction between light and highly confined hypersound in a silicon photonic nanowire. Nature Photonics (2015) http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2015.11

Over Photonics Research Group/UGent

De Photonics Research Group van de UGent heeft een wetenschappelijke staf van ongeveer 70 wetenschappers, en is actief op het gebied van fotonische integratie op silicium IC platforms en op de toepassing ervan in de informatie-en communicatietechnologie, in sensoren en in de life sciences. De groep richt zich op nieuwe concepten voor fotonische geïntegreerde schakelingen, op de onderliggende technologieën en de bijbehorende ontwerpmethodologieën.
Dit omvat zowel passieve als actieve golfgeleider-gebaseerde componenten, gebaseerd op CMOS-compatibele materialen en processen, en op hybride benaderingen, die silicium combineren met andere functionele materialen. De activiteiten concentreren zich rond de telecom golflengte van 1.55 micrometer maar worden uitgebreid naar zowel langere golflengtes (mid-IR) als kortere golflengte (zichtbaar). De infrastructuur van de groep omvat cleanroom faciliteiten voor fabricatie in huis van componenten, en een varieteit aan CAD-tools en meetlabo’s. De groep is geassocieerd met het nano-elektronica onderzoekscentrum imec in Leuven en gebruikt de CMOS-georienteerde onderzoeksfaciliteiten van imec voor onderzoek op siliciumfotonica.

Over de Universiteit Gent

De Universiteit Gent telt 117 vakgroepen die, verdeeld over 11 faculteiten, in vrijwel elke wetenschappelijke discipline hoogstaande en door onderzoek ondersteunde opleidingen aanbieden. De UGent profileert zichzelf als een sociaal geëngageerde en pluralistische universiteit in een brede internationale context. Het credo van de Universiteit Gent is Durf Denken. De aantrekkingskracht van de UGent als hogeronderwijsinstelling groeit elk jaar, met een studentenaantal van ca. 41.000 in 2014, waaronder 11% internationale studenten en 35% internationale doctoraatsstudenten. Doorheen de jaren zijn talrijke onderzoeksgroepen, centra en instituten opgericht. Disciplines als biotechnologie, aquacultuur en fotonica genieten wereldfaam.
De Universiteit Gent is de enige Belgische Universiteit in de top 100 van zowel de Shanghai (70) als de Times (85) ranking. De UGent heeft deelgenomen aan meer dan 200 onderzoeksprojecten in het kader van het Europese Sixth Framework Programme (2002-2006) en aan 260 projecten van het Seventh Framework Programme. De universiteit levert uitstekende opleidingskansen aan zowel jonge als ervaren onderzoekers en is een van de snelst groeiende Europese universiteiten op vlak van onderzoekscapaciteit en productiviteit.

Over imec

Imec verricht onderzoek dat tot de wereldtop behoort in het domein van nano-elektronica. Imec koppelt zijn innovatieve kracht aan wereldwijde partnerships in ICT, gezondheidszorg en energie. Zo worden er technologische oplossingen ontwikkeld die relevant zijn voor de industrie. In een unieke hightech omgeving is imec’s internationaal toptalent gedreven om de bouwblokken te ontwikkelen voor een beter leven in een duurzame maatschappij.
Imec's hoofdkantoor is gevestigd in Leuven, België. Imec heeft kantoren in België, Nederland, Taiwan, Verenigde Staten, China, India en Japan. Het onderzoekscentrum telt meer dan 2080 medewerkers waarvan meer dan 670 industriële residenten en gastonderzoekers. In 2013 bedroeg imec's budget (P&L) 332 miljoen euro. Meer informatie kan je vinden op www.imec.be . Blijf op de hoogte van wat er gebeurt op imec via ons maandelijks imec magazine, beschikbaar op tablet en smartphone (iOS en Android), of via the website www.imec.be/imecmagazine
Imec is een geregistreerd trademark voor de activiteiten van IMEC International (stichting van openbaar nut volgens Belgisch recht), imec België (IMEC vzw gesteund door de Vlaamse Overheid), imec Nederland (Stichting IMEC Nederland, deel van Holst Centre dat gesteund wordt door de Nederlandse Overheid), imec Taiwan (IMEC Taiwan Co.), imec China (IMEC Microelectronics (Shanghai) Co. Ltd.) en imec India (Imec India Private Limited).