Superdun materiaal absorbeert alle licht
Het lijkt een paradox: ultradun materiaal dat al het licht absorbeert. Toch bestaat het. Twee Leidse onderzoekers berichtten over hun onderzoek in ‘Applied Physics Letters’. Het artikel staat in de Top 20 van meest gedownloade artikelen van mei van het gerenommeerde tijdschrift.
Ideale lichtdetector
De twee onderzoekers, ir. Eduard Driessen en dr. Michiel de Dood, hebben aangetoond dat niobiumnitride (NbN) van maar 4,5 nanometer dik super-absorberend is. Ze meten een lichtabsorptie van bijna 100%, terwijl de tot nog toe beste lichtabsorptie 50% was. Het onderzoek brengt de ideale lichtdetector een stap dichter bij. Een cel gemaakt van dit materiaal kan al het licht opvangen en omzetten naar een elektrisch signaal. Dat dit onderzoek bijzonder is, blijkt uit het grote aantal downloads.
Hoeken en polarisatie
Materialen die potentieel veel licht zouden kunnen absorberen, hebben het probleem dat ze al het invallende licht terugkaatsen. Het zijn over het algemeen heel goede spiegels. Maar hoeveel licht er teruggekaatst wordt en hoeveel er geabsorbeerd wordt, hangt van twee zaken af: de hoek waarmee het licht op het materiaal valt, en de polarisatie (trillingsrichting) van het licht. Licht heeft twee soorten polarisatie: s- en p-polarisatie. Hier wordt bijvoorbeeld bij de polaroidzonnebril handig gebruik van gemaakt. De absorptie van een dun plakje NbN is maximaal als het licht invalt met een hoek van 35º en alleen bestaat uit s-gepolariseerd licht. De gemeten absorptie is dan 94%. Het p-gepolariseerde licht kaatst volledig terug. Bij een invalshoek van 46º is de absorptie voor beide polarisatierichtingen 80%. Nog steeds extreem goed dus.
Toepassingen
Door deze ontdekking kregen Driessen en De Dood het idee om een speciale detector te bouwen. Met die detector willen ze afzonderlijke lichtdeeltjes, de fotonen, bekijken. Iets wat tot nog toe heel moeilijk was, omdat de absorptie niet hoog genoeg is. Het belangrijkste deel van de detector is een raster van super-absorberende NbN-draden. Een lichtdeeltje dat geabsorbeerd wordt, zorgt voor een elektrische spanning over de draden. Als een s-lichtdeeltje op het raster valt, wordt het geabsorbeerd. Een p-deeltje wordt teruggekaatst. Dat p-deeltje kan dan op zijn beurt door een tweede detector worden opgevangen, zodat al het licht wordt gedetecteerd. Berekeningen laten zien dat de golflengte (kleur) van het lichtdeeltje nauwelijks invloed heeft. De detector kan daardoor ook gebruikt worden voor deeltjes met heel andere golflengtes, zoals detectiesystemen voor de telecommunicatie en infraroodapparatuur.
Het onderzoek is verrricht in samenwerking met de TU Delft en wordt mede ondersteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).