Hoogfrequent licht is handig. Hoe hoger de frequentie van het licht, hoe korter de golflengte, en hoe korter de golflengte, hoe kleiner de objecten en details die het licht kan zien.
Violet licht kan je dus kleinere details laten zien dan bijvoorbeeld rood licht, omdat het een kortere golflengte heeft. Maar om heel, heel kleine dingen te zien – tot op de schaal van een miljardste van een meter, duizenden keren minder dan de breedte van een mensenhaar – om die dingen te zien, heb je extreem ultraviolet licht nodig (en een goede microscoop).
Extreem ultraviolet licht, met golflengten tussen 10 en 120 nanometer, heeft veel toepassingen in medische beeldvorming, het bestuderen van biologische objecten en het ontcijferen van de fijne details van computerchips tijdens de vervaardiging ervan. Het was echter een grote uitdaging om kleine en betaalbare bronnen van dit licht te produceren.
We hebben een manier gevonden om nanodeeltjes van een gewoon halfgeleidermateriaal licht te laten uitzenden met een frequentie die tot zeven keer hoger is dan de frequentie van het licht dat ernaartoe wordt gestuurd. We hebben blauwviolet licht gegenereerd uit infrarood licht en het zal mogelijk zijn om extreem ultraviolet licht te genereren uit rood licht met dezelfde principes. Ons onderzoek, uitgevoerd met collega’s van de Universiteit van Brescia, de Universiteit van Arizona en Korea University, is gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang.
De kracht van harmonischen
Ons systeem begint met een gewone laser die infrarood licht met een lange golflengte produceert. Dit wordt de pomplaser genoemd en er is niets bijzonders aan: dergelijke lasers zijn in de handel verkrijgbaar en kunnen compact en betaalbaar zijn.
Maar vervolgens vuren we korte lichtpulsen van deze laser af op een speciaal ontworpen nanodeeltje van een materiaal dat aluminium galliumarsenide wordt genoemd, en daar wordt het interessant.
Het nanodeeltje absorbeert energie van de laserpulsen en zendt vervolgens zijn eigen lichtuitbarsting uit. Door de grootte en vorm van het nanodeeltje zorgvuldig te ontwerpen, kunnen we krachtige resonanties creëren om bepaalde harmonischen van het uitgezonden licht te versterken.
Wat betekent dat precies? Welnu, we kunnen een bruikbare analogie maken met geluid.
Als je een snaar op een gitaar tokkelt, trilt hij met wat zijn wordt genoemd grondfrequentie– wat de hoofdnoot vormt die je hoort – plus kleine hoeveelheden hogere frequenties die harmonischen worden genoemd en die veelvouden zijn van de grondfrequentie. De body van de gitaar is ontworpen om resonanties te produceren die sommige van deze harmonischen versterken en andere dempen, waardoor het algehele geluid ontstaat dat je hoort.
Zowel licht als geluid hebben overeenkomsten in hun fysica – dit zijn beide voortplantende golven (akoestische golven in het geval van geluid en elektromagnetische golven in het geval van licht).
In onze lichtbron is de pomplaser als de hoofdnoot van de snaar, en de nanodeeltjes zijn als het gitaarlichaam. Behalve dat het bijzondere aan de nanodeeltjes is dat ze die hogere harmonischen van de pomplaser enorm versterken, waardoor licht wordt geproduceerd met een hogere frequentie (tot zeven keer hoger in ons geval, en een overeenkomstig zeven keer kortere golflengte).
Waar het goed voor is
Deze technologie stelt ons in staat om nieuwe lichtbronnen te creëren in delen van het elektromagnetische spectrum, zoals het extreme ultraviolet, waar geen natuurlijke lichtbronnen zijn en waar de huidige geconstrueerde bronnen te groot of te duur zijn.
Conventionele microscopen die zichtbaar licht gebruiken, kunnen alleen objecten bestuderen tot een grootte van ongeveer een tien miljoenste van een meter. De resolutie wordt beperkt door de golflengte van het licht: violet licht heeft een golflengte van ongeveer 400 nanometer (een nanometer is een miljardste van een meter).
Maar er zijn tal van toepassingen, zoals biologische beeldvorming en elektronicaproductie, waarbij het een enorme hulp zou zijn om tot op een miljardste van een meter te kunnen kijken.
Op dit moment heb je microscopie met “superresolutie” nodig, waarmee je details kunt zien die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat je gebruikt, of elektronenmicroscopen, die helemaal geen licht gebruiken en een beeld creëren met behulp van een flux van elektronen. Dergelijke methoden zijn echter vrij traag en duur.
Om de voordelen van een lichtbron als de onze te begrijpen, moeten we eens kijken naar computerchips: ze zijn gemaakt van zeer kleine componenten met afmetingen van bijna een miljardste van een meter. Tijdens het productieproces zou het voor fabrikanten handig zijn om extreem ultraviolet licht te gebruiken om het proces realtime te monitoren.
Dit zou middelen en tijd besparen op slechte partijen chips. De schaal van de industrie is zodanig dat zelfs een toename van 1% in chipopbrengsten miljarden dollars per jaar kan besparen.
In de toekomst zouden nanodeeltjes zoals de onze kunnen worden gebruikt om kleine, goedkope bronnen van extreem ultraviolet licht te produceren, die de wereld van extreem kleine dingen verlichten.
Meer informatie:
Anastasiia Zalogina et al, High-harmonic generatie van een subgolflengte diëlektrische resonator, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg2655
Tijdschrift informatie:
Wetenschappelijke vooruitgang
Aangeboden door Het gesprek