3 januari 2007
Waarschijnlijk kan het Internet binnenkort in een 'overdrive' dankzij een nieuwe generatie van optische moleculen, ontwikkeld en getest door een onderzoeksteam van Washington State University, de Universiteit van Leuven en de Chinese Academy of Science. Deze nieuwe materialen, organische moleculen die als chromophoren bekend staan, werken beter met het licht samen dan alle andere ooit geteste moleculen. Dat maakt ze (en andere moleculen die volgens dezelfde principes zijn ontwikkeld) tot top-kandidaten voor het gebruik in optische technologieën, zoals internetverbindingen, optische geheugensystemen en hologrammen. De moleculen waren gesynthetiseerd door scheikundigen in China, onderzocht en geëvalueerd op de theoretische berekeningen door een natuurkundige van de Washington State University en op hun achtuele optische eigenschappen getest op de Leuvense universiteit. 'To our great excitement, the molecules performed better than any other molecules ever measured', zo zei de natuurkundige Mark Kuzyk van Washington State.
De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het het tijdschrift Optics Letters van 1 januari, en is online hier te lezen. Al sinds optische technologie belangrijk werd, zo rond 1970, hebben onderzoekers geprobeerd de materialen te verbeteren, die worden gebruikt om met licht om te kunnen gaan. In 1999 ontdekte Kuzyk 'a fundamental limit to how strongly light can interact with matter'. Hij toonde aan dat 'all molecules examined at that time fell far short of the limit'. Zelfs de beste moleculen toen hadden 30 keer minder 'optical brawn' (zoals hij het noemt) dan theoretisch mogelijk was. De moleculen beschreven in het nieuwe onderzoeksrapport doorbreken deze grens en zijn potentieel 50 procent beter dan alle andere onderzochte moleculen. Dit betekent dat ze veel effectiever zijn in het converteren van licht en de energie daaruit naar een bruikbare vorm. Eerder dit jaar publiceerden Kuzyk en twee collega's van Washington State een aantal theoretische richtlijnen waarin moleculaire structuren werden beschreven die optimaal zouden kunnen omgaan met licht. Koen Clays, scheikundige van de Universiteit van Leuven, heeft als pionier veel onderzoek gedaan op basis van de 'hyper-Raleigh scattering'-test, waarmee de kracht van de interactie van moleculen met het licht kan worden gemeten. Tijdens zijn onderzoek ontdekte hij dat een aantal moleculen, hem toegezonden door de scheikundige Yuxia Zhao van de Chinese Academy of Sciences, voldeden aan de ontwerpcriteria in Kuzyk's publicatie. Toen Xavier Perez-Moreno, leidend auteur van de publicatie in Optics Letters, de moleculen bestudeerde, ontdekte hij dat twee van de betreffende zeven moleculen veel krachtiger reageerden op licht dan ooit tevoren. 'We found an excellent agreement with Kuzyk's theoretical results', zei Perez-Moreno. 'We use the quantum limits to try to get a clearer view of the nonlinear optical interaction and we wish to unveil the unifying principles behind the interaction of light and matter—a very ambitious goal. This summer we set some of the foundations of the quantum limits framework'. Perez-Moreno gaat verder: 'The new design parameters call for a molecular structure that increases a property known as the 'intrinsic hyperpolarizability', which reflects how readily electrons in the molecule deform when the molecule mediates the merger of two photons into one, an action which is the basis of an optical switch'. De doorbraak wordt door andere wetenschappers enthousiast begroet. Volgens de natuurkunige Ivan Biaggio van Lehigh University is het onderzoek 'a very important contribution that may help the community to finally deliver the all-optical switching performances that are needed for tomorrow’s all-optical data-processing networks, an aim that has eluded researchers for 20 years'. Kuzyk gaat op het principe in: 'In the new designs, each molecule has a component at one end that donates an electron and a component at the other end that accepts an electron. In between is the 'bridge' portion of the molecule. Previous efforts to boost the interaction with light focused on 'smoothing out' the bridge to allow electrons to flow more easily from donor to acceptor end. My calculations showed that a more 'bumpy' structure actually enhanced the interaction with light; and Clays recognized that Zhao’s structures filled the bill – which was confirmed by measurements made by his group. Quantum mechanics explains the behavior of electrons in this situation'. En vervolgens: 'When you’re looking at something like an electron, you can’t really think of it as a classical little ball that’s moving around. In reality what ends up happening is that the electron is in a lot of places at the same time. When the electron is all spread out, it can be interfering with itself. By inserting these speed bumps, you’re causing it to bunch up in certain places, and preventing it from interfering with itself'. Het onderzoek is van groot belang voor alle optische technieken. Een veel sneller internet bijvoorbeeld ligt door het gebruik van technologieën als deze erg dichtbij. Het onderzoek is gefinancierd door de Universiteit van Leuven, de Belgische regering, het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek in Vlaanderen, de Amerikaanse National Science Foundation en Wright Paterson Air Force Base.
