Zelfs door witte verf vindt licht zijn weg

Door de golfvorm van het licht aan te passen, slagen zij erin de voorspelde ‘open kanalen’ in het materiaal te vinden waarlangs het licht kan bewegen. De resultaten staan binnenkort in Physical Review Letters, en nu al op de toonaangevende websites ScienceNOW en Physics Today.

In materialen die een wanordelijke structuur hebben, wordt invallend licht in alle mogelijke richtingen verstrooid. In een ondoorzichtige laag treedt zoveel verstrooiing op dat er ‘aan de achterkant’ nauwelijks licht uit komt. Toch heeft zelfs een sterk verstrooiend materiaal kanalen waarlangs licht wèl optimaal kan voortbewegen. Dat kan alleen als het licht aan strikte randvoorwaarden voldoet: dan kunnen de verstrooide lichtgolven elkaar versterken op weg naar de uitgang.

Altijd een open kanaal

Door de golfvorm van het licht te manipuleren, slagen Vellekoop en Mosk erin, deze open kanalen aan te boren. Ze gebruikten een ondoorzichtige laag van het witte pigment zinkoxide dat schilders als Van Gogh ook al gebruikten. Van het oorspronkelijke laserlicht dat op het zinkoxide valt – als een vlakke golf -, wordt slechts een klein deel doorgelaten. Zoals elke schilder weet: hoe dikker de verflaag, hoe minder licht erdoor komt. Door informatie over het uittredende licht te gebruiken om de laser te programmeren, passen de onderzoekers de golfvorm optimaal aan, om het licht door de open kanalen te krijgen. Daarvoor worden delen van de invallende golf vertraagd, om het verstrooide licht precies op de juiste manier te laten interfereren met andere gedeelten van dezelfde golf. Op die manier slagen Vellekoop en Mosk erin, de hoeveelheid doorgelaten licht met maar liefst 44 procent te vergroten. Zoals de theoretici voorspelden, zijn altijd open kanalen te vinden, en is hun transmissie bovendien onafhankelijk van de dikte van het materiaal.

Links: het licht valt als een vlakke golf op de ondoorzichte verflaag, er wordt weinig doorgelaten. Rechts is de golfvorm aangepast en wordt het licht helder doorgelaten: de open kanalen zijn gevonden..

De resultaten zijn zeer opmerkelijk: hoewel het bestaan van open kanalen theoretisch al wel bekend was, leek het tot nu toe te complex om het licht zodanig te manipuleren dat die kanalen ook echt waren te vinden in het materiaal. Dankzij betere lichtgeleiding in ondoorzichtige materialen wordt het in de toekomst misschien beter mogelijk te kijken in materialen die tot nu toe hun geheimen niet prijsgaven: bijvoorbeeld in medische afbeeldingstechnieken. Een belangrijke parallel bestaat met de geleiding van elektronen in zeer dunne draadjes, zoals die op halfgeleiderchips voorkomen. Ook elektronen, die zich volgens de kwantummechanica als golven gedragen, verplaatsen zich door dezelfde open kanalen.

Ook is te denken aan andere golfvormen dan licht, bijvoorbeeld radiogolven voor mobiele communicatie: is het bereik te verbeteren door de golfvorm aan te passen?

Het onderzoek is uitgevoerd in de Complex Photonic Systems groep, onderdeel van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT. Het is gefinancierd door de Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en door een Vidi beurs van NWO.