Bliksemafleidertje als microscoop
Het kleinste detail dat je met een optisch instrument nog net kunt zien is zo groot als de helft van de golflengte van het licht waar je mee kijkt. Voor het verre infrarood betekent dit dat details kleiner dan een halve millimeter niet kunnen worden onderscheiden. Dat is jammer, want in het verre infrarood zijn bijvoorbeeld veel biomoleculen goed op te merken. De natuurkundigen Nick van der Valk (in dienst van de Stichting FOM) en Paul Planken, beiden verbonden aan de Technische Universiteit Delft, hebben nu een microscoop ontwikkeld waarmee het mogelijk wordt in het verre infrarood duizend keer zo scherp te kijken als met bestaande technieken. Dat hun methode werkt laten ze zien in een artikel dat op 26 augustus aanstaande verschijnt in het internationale vakblad Applied Physics Letters.
In biologisch en biomedisch onderzoek is de laatste jaren grote belangstelling ontstaan voor het gebruik van zogenaamde terahertzgolven (THz). Dit zijn ver-infrarood golven met een golflengte van ongeveer 1 millimeter. Veel biomoleculen absorberen deze straling en kunnen daarom met deze golven worden waargenomen. Overigens verwezenlijken THz-golven een 'droom' die vroeger wel eens in science fiction-films opdook: je kunt er mee door kleren kijken, zoals in Science van 2 augustus van dit jaar te zien is (pagina 763). Daar is meteen een probleem zichtbaar: met THz-golven kun je niet erg scherp zien. Door diffractie, die de natuurlijke grens aan het oplossend vermogen van optische systemen stelt, is de detailgrootte bij THz-golven niet kleiner dan ongeveer een halve millimeter.
Van der Valk en Planken hebben nu een fundamentele ontdekking gedaan waarmee het oplossend vermogen van THz-golven een factor duizend kan worden vergroot. Hun idee werkt als volgt. Ze beschijnen een kristal van galliumfosfide (GaP) met een bundel THz-golven. In de bundel brengen ze een scherpe metalen naald aan, vlak boven het kristaloppervlak. De naald verandert zeer plaatselijk de richting van het elektrische veld van het THz-licht. Dit doet denken aan een bliksemafleider; die concentreert en vervormt het elektrische veld in de lucht onder een onweersbui. In het kristal direct onder de naaldpunt ontstaat door het vervormde veld van het THz-licht een heel klein gebied met iets andere optische eigenschappen. Het bijzondere is dat dit gebiedje veel kleiner is dan de golflengte van het THz-licht. De verandering van de optische eigenschappen wordt gemeten door vanaf de andere kant van het kristal een laserpuls op dit gebiedje te richten. Met deze methode hebben de onderzoekers intussen een afmeting van 8 micrometer gehaald en ze denken dat ze nog verder kunnen verkleinen, tot 1 micrometer. Dat is ongeveer duizend keer kleiner dan tot nu toe mogelijk was met THz-golven.
De bedoeling is om in de toekomst een monster, bijvoorbeeld biologisch materiaal, op het kristal te leggen, vlak onder de naaldpunt. Afhankelijk van het soort moleculen in het monster wordt het THz-licht in meer of mindere mate geabsorbeerd. De absorptie wijst daardoor op de aanwezigheid van specifieke moleculen. Door de truc met de naald wordt de absorptie van THz-licht echter alleen waargenomen in een gebied van enkele vierkante micrometers! Om een compleet beeld van het monster te verkrijgen, wordt vervolgens het kristal in een regelmatig patroon onder de metalen naald door bewogen. Het hierdoor ontstane beeld is duizend keer scherper dan tot nu toe met THz-golven mogelijk was.