Doorlaten van licht door een zeef met nanometergaatjes hangt af van de vorm van de gaatjes

Het manipuleren van licht is de basis voor nieuwe ontwikkelingen in de optische communicatie, optische dataopslag, rekenen met licht, lichtproductie door LED's en meten op afstand ('sensing'). Wereldwijd wordt gewerkt aan materialen en structuren in materialen om het manipuleren van licht te kunnen verbeteren en om nieuwe mogelijkheden te ontdekken om dat te doen. Een op het eerste gezicht merkwaardig effect op dit terrein is de zogeheten 'buitengewone transmissie' van licht door gaatjes in een ondoorzichtig dun metaallaagje. Normaal gesproken komt licht van een bepaalde golflengte nauwelijks door een gaatje heen als dat een afmeting heeft die kleiner is dan die golflengte. Hoe kleiner het gaatje, hoe minder licht er doorheen komt. Wanneer echter gaatjes met dergelijke afmetingen in een regelmatig patroon in een ondoorzichtig plaatje worden aangebracht - er wordt als het ware een zeef gemaakt - dan gaat er voor sommige kleuren veel meer licht door die gaatjes heen. De hoeveelheid doorgelaten licht kan zelfs groter worden dan het gezamenlijke oppervlak van de gaatjes lijkt toe te staan. Op een of andere nog niet goed begrepen manier werkt het metaal als een soort trechter om licht aan de andere kant te krijgen. Algemeen wordt aanvaard dat dichtheidsgolven in de elektronen aan het oppervlak van het metaalplaatje (zogeheten oppervlakteplasmonen) volledig verantwoordelijk zijn voor het 'bundelen' van het licht (zie bijvoorbeeld ). Werk van onderzoekers van de Universiteit Twente, het Institut Fresnel in Marseille en AMOLF trekt dit beeld echter in twijfel.

Rechthoekige gaatjes laten meer licht door dan ronde gaatjes
In een publicatie in het vakblad Physical Review Letters die deze week on-line verschijnt laten de Twentse afstudeerstudent Koen Klein Koerkamp, Stefan Enoch uit Marseille, Frans Segerink en Niek van Hulst van de Universiteit Twente en Kobus Kuipers (Universiteit Twente en AMOLF) zien dat 'buitengewone transmissie' sterk kan worden beïnvloed door de vorm van de gaatjes waar het licht doorheen moet te wijzigen. Klein Koerkamp veranderde ronde gaatjes (doorsnede 190 nanometer ofwel 0,000190 millimeter) in rechthoekige (75 nanometer bij 225 nanometer). Hoewel de rechthoekige gaatjes kleiner zijn dan de ronde, werd de hoeveelheid doorgelaten licht tien keer zo groot! Ook verschoof de piek in de golflengte van het licht. Het doorgelaten licht wordt overwegend rood van kleur. De rechthoekige gaatjes zorgen dus voor meer doorgelaten licht van een kleur die fors naar het rood verschuift. Bovendien bleek ook nog eens de polarisatie van het licht van grote invloed. Bij een polarisatie loodrecht op de lange zijde van de rechthoekjes was de hoeveelheid doorgelaten licht 1000 keer groter dan bij polarisatie loodrecht op de korte zijde. 

Lichtversterking benutten
Tot nog toe nam men altijd aan dat de vorm van de gaatjes te verwaarlozen was omdat de golflengte van het licht zoveel groter is dan de afmeting van de gaatjes. Dat blijkt dus niet het geval. Nieuwe berekeningen, in samenwerking met Enoch, die de vorm van de gaatjes verdisconteren, leveren goede overeenkomsten met de waarnemingen. Verder hebben metingen aan afzonderlijke gaatjes resultaten opgeleverd die met alleen oppervlakteplasmonen niet goed te verklaren zijn. Echt opgelost is het probleem nog niet, zegt Kuipers, maar het is wel duidelijk dat over 'buitengewone transmissie' tot nog toe in te algemene termen is gedacht. Over nog een andere uitkomst van de experimenten is Kuipers zeer te spreken. Versterken van buitengewone transmissie geeft aan dat plaatselijk de lichtintensiteit zeer kan worden verhoogd. Het benutten van dat verschijnsel zal cruciaal zijn in een nieuw onderzoekprogramma (over niet-lineaire optica op nanometerschaal) dat Kuipers dankzij een VICI-subsidie van NWO de komende jaren kan gaan uitvoeren.

Meer informatie bij prof.dr. L. (Kobus) Kuipers, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, telefoon (020) 608 12 34.