Nanogaatje verstrooit gevangen lichtgolf
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben voor het eerst de wisselwerking gemeten van een oppervlakteplasmon met een enkel gaatje - kleiner dan de golflengte van licht - in een metaallaagje. Vervolgens hebben ze een model ontwikkeld waarmee deze wisselwerking wordt verklaard. Met dit fundamentele inzicht zou je het ontwerp van een onzichtbaarheidsmantel kunnen verbeteren, en bijzondere sensoren kunnen ontwikkelen, gebaseerd op buitengewone transmissie – een fenomeen waarbij kleine gaatjes 'meer dan transparant' worden. De resultaten van hun onderzoek worden op 30 maart gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review Letters.
Oppervlakteplasmonen zijn lichtgolven die vastgeplakt zitten aan het oppervlak van metaal. Deze bijzondere oppervlaktegolven ontstaan door de koppeling van elektronen in het metaal met licht. Ze zijn daarom gebonden aan het oppervlak van het metaal. Hoewel al veel bekend is van de gevolgen van de wisselwerking van deze golven met gaatjes kleiner dan de golflengte, ontbreekt fundamentele kennis van de wisselwerking van een oppervlaktegolf met een individueel gaatje.
Wisselwerking in beeld
De onderzoekers uit de groep van Kobus Kuipers hebben nu voor het eerst de verstrooiing van oppervlaktegolven in gaatjes kleiner dan de golflengte in real-time in beeld gebracht. Daarvoor gebruikten ze een zeer geavanceerde microscoop waarmee een kleine hoeveelheid licht opgevangen wordt dat normaal vastzit aan het oppervlak van metaal. Daarmee konden ze vaststellen wanneer, hoeveel en in welke richting het licht gaat als het verstrooid wordt door de gaatjes. Bovendien kon de verstrooide golf significant vertraagd worden ten opzichte van de niet-verstrooide golf.
De onderzoekers hebben experimenteel aangetoond dat het gaatje het licht evenveel in alle richtingen verstrooit. Om dit gedrag te verklaren hebben de onderzoekers een theoretisch model gemaakt van de wisselwerking tussen elektronen in het metaal rond het gaatje met het invallende licht. Het model beschrijft dat deze verstrooiing in alle richtingen ontstaat wanneer elektronen uit het vlak van het metaal in trilling worden gebracht door het invallende licht. Het model voorspelt hoeveel licht bij het oppervlak blijft en hoeveel licht het gaatje ingaat ofwel van het oppervlak 'ontsnapt'.
Optische controle
Het onderzoek geeft een eerste blik op deze wisselwerkingen op de nanoschaal en effent het pad naar een intelligent ontwerp van gaatjesstructuren. Als dit correct wordt gedaan kan deze optische controle leiden tot de concentratie van grote hoeveelheden elektromagnetische energie. Het onderzoek heeft belangrijke implicaties voor imaging en detectie, waarbij men zeer kleine objecten als cellen, bacteriën of zelfs enkele moleculen in beeld wil brengen.
Referentie
N. Rotenberg, M. Spasenovic, T.L. Krijger, B. le Feber, F.J. Garcia de Abajo, and L. Kuipers, Plasmon scattering from single sub-wavelength holes, Phys. Rev. Lett. 108, 127402 (2012).
Contact
Prof.dr. Kobus Kuipers, tel. (020)754 71 00