Een extreem kleine antenne met vijf gouden nanodeeltjes kan
licht op nanoschaal sturen. Wetenschappers van het FOM-instituut
AMOLF hebben dit voor het eerst in de praktijk getoond. Het
betekent een doorbraak voor optische sturingssystemen in kleine
apparatuur.
Voor de miljoen maal kleinere tv-antenne moesten promovendus
Toon Coenen en zijn collega's op AMOLF zelf een nieuwe meettechniek
ontwikkelen. Hun antenne bestaat uit vijf extreem kleine gouden
nanodeeltjes, die heel netjes op een rijtje geplaatst zijn. Elk
nanodeeltje heeft een sterke gevoeligheid voor zichtbaar licht, dat
zich uit in een resonantie die veroorzaakt wordt door het heen en
weer bewegen van vrije elektronen in het metaal.
De sterke wisselwerking van zulke resonanties met licht kent men
al sinds eeuwen: deze veroorzaken namelijk het diepste rood in
glas-in-lood ramen. Met nanofabricage kunnen onderzoekers zulke
deeltjes nu zó precies rangschikken, dat ze samen een antenne
vormen die een miljoen keer kleiner is dan een TV-antenne (maar
precies op dezelfde manier werkt).
Richting van de lichtbundel beïnvloeden
De nanodeeltjes die samen de antenne vormen, zijn zo
verschrikkelijk klein dat het onmogelijk is om ze afzonderlijk te
kunnen zien of aan te sturen met een optische microscoop. De
onderzoekers gebruikten daarom een vijf nanometer dikke
elektronenbundel van een elektronen microscoop om de antenne heel
precies te kunnen sturen. De elektronenbundel brengt de deeltjes in
hun aangeslagen toestand waardoor zij vervolgens licht
uitzenden.
Deze meettechniek, ook wel 'cathodoluminescentie spectroscopie'
genoemd, is door de onderzoekers zó aangepast dat het nu voor
het eerst mogelijk is om ook de richting waarin het licht wordt
uitgezonden te meten, en te sturen. Omdat de elektronenbundel heel
nauw gefocusseerd kan worden, is het mogelijk een enkel nanodeeltje
uit de antenne aan te slaan.
Interactie met de andere deeltjes zorgt er vervolgens voor dat
het licht in een bepaalde richting wordt uitgezonden. Dit is sterk
afhankelijk van de golflengte en de positie van het deeltje dat
wordt aangeslagen. Het is te vergelijken met het gericht sturen van
radiobundels met antennes door te kiezen op welke elementen een
stroom gezet wordt.
De wetenschappers hebben aangetoond dat ze op deze manier
de richting van de lichtbundel kunnen beïnvloeden op een schaal die
veel kleiner is dan de golflengte van het licht. Dat was voorheen
niet mogelijk en biedt mogelijkheden voor heel kleine optische
systemen.
Belang van de ontdekking
Antennes zijn overal om ons heen aanwezig om
(elektromagnetische) golven efficiënt te kunnen verzenden en
ontvangen: op daken en balkons, in radio, laptop, navigatiesysteem
en mobiele telefoon. Deze antennes zijn ontworpen voor radio- en
microgolven met golflengtes variërend van meters tot millimeters.
De antennes hebben een grootte die vergelijkbaar is met de
golflengte van de golf die ze kunnen opvangen en verzenden.
Zichtbaar licht heeft een veel kortere golflengte. Dat betekent dat
een goede antenne voor zichtbaar licht meer dan duizend tot
honderdduizend keer zo klein moet zijn.
Deze doorbraak is van groot belang voor het ontwerpen van kleine
efficiënte antennes, voor toekomstig gebruik in zonnecellen,
ultrakleine sensoren, optische computerchips en
quantumcomputers.
De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in het
toonaangevende tijdschrift Nano Letters.
Het onderzoek is uitgevoerd door FOM-onderzoekers Toon
Coenen, Ernst Jan Vesseur, Albert Polman en Femius Koenderink en
mede mogelijk gemaakt dankzij financiering door de Stichting FOM en
NWO Vernieuwingsimpuls.