Plasmon: hoe elektronentrillingen licht opsluiten op nanoschaal
Stel je een volgepakt voetbalstadion voor, waarin een groep supporters een golf laat rollen door om beurten op te staan en weer te gaan zitten. Niemand verplaatst zich echt, maar de golf zelf reist wel door het stadion. Iets vergelijkbaars gebeurt met de vrije elektronen aan het oppervlak van een metaal, zoals goud of zilver. Als licht op zo'n oppervlak valt, kunnen de elektronen daar collectief in beweging komen: ze golven heen en weer, precies in de maat met de lichtgolf. Deze gezamenlijke trilling van elektronen heeft een eigen naam gekregen: een plasmon.
Wat een plasmon bijzonder maakt, is dat deze elektronengolf licht als het ware kan "opsluiten" in een gebied dat veel kleiner is dan de golflengte van het licht zelf. Normaal gesproken kun je licht niet focussen tot een puntje kleiner dan ongeveer de helft van zijn golflengte – dat heet de diffractielimiet. Plasmonen omzeilen die beperking door de energie van het licht tijdelijk over te dragen aan trillende elektronen, die vervolgens weer licht kunnen uitstralen. Daardoor kunnen onderzoekers optische signalen manipuleren op een schaal van nanometers, veel kleiner dan met gewone lenzen en lichtstralen mogelijk is. Dat opent de deur naar extreem gevoelige sensoren, compactere optische chips en nieuwe manieren om zonlicht te vangen.
Wat is het precies?
Een metaal bevat een zee van vrije elektronen: elektronen die niet vastzitten aan een specifiek atoom, maar zich vrij door het materiaal kunnen bewegen. Dat is ook de reden dat metalen elektriciteit geleiden. Wanneer een lichtgolf – die bestaat uit oscillerende elektrische en magnetische velden – op zo'n metaaloppervlak valt, duwt en trekt het elektrische veld aan deze vrije elektronen. Bij de juiste golflengte gaan de elektronen in resonantie met het licht: ze bewegen collectief mee, als een zwerm vogels die synchroon van richting verandert.
Deze collectieve elektronentrilling is het plasmon. Natuurkundigen maken onderscheid tussen een volumeplasmon, dat zich door het hele metaal verspreidt, en een oppervlakteplasmon, dat alleen optreedt aan het grensvlak tussen het metaal en een ander materiaal, bijvoorbeeld lucht of water. Voor de meeste praktische toepassingen zijn vooral oppervlakteplasmonen interessant. Wanneer zo'n oppervlakteplasmon gekoppeld blijft aan het licht dat het opwekte, spreekt men van een surface plasmon polariton: een golf die deels lichtdeeltje (foton) en deels elektronentrilling is, en die zich langs het metaaloppervlak kan voortplanten.
Het bijzondere is dat het elektrische veld van deze golf extreem geconcentreerd is, vlak bij het metaaloppervlak, in een gebied dat veel kleiner is dan de golflengte van het oorspronkelijke licht. Daardoor kun je licht als het ware "induiken" in nanostructuren die zelf veel kleiner zijn dan de golflengte – iets wat met gewone lichtstralen niet lukt vanwege de eerder genoemde diffractielimiet. Er kleeft echter een belangrijk nadeel aan: metalen geleiden niet perfect. Een deel van de energie van het plasmon gaat verloren doordat de bewegende elektronen botsen met het metaalrooster, waarbij de energie omzet in warmte. Dit heet ohmse verliezen, en het zorgt ervoor dat een plasmon-golf zich meestal maar over een zeer korte afstand kan voortplanten voordat hij uitdooft – vaak niet meer dan enkele micrometers tot tientallen micrometers, afhankelijk van het metaal en de golflengte.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van plasmonica – het onderzoeksveld rond plasmonen – draait vooral om het combineren van twee werelden die normaal niet goed samengaan: de snelheid en bandbreedte van licht, en de compactheid van elektronica. Licht kan enorme hoeveelheden informatie razendsnel vervoeren, maar optische componenten zijn van nature groter dan elektronische, juist door die diffractielimiet. Plasmonen zouden licht kunnen laten werken op de nanoschaal waarop elektronica al opereert, wat in theorie de weg opent naar compactere en snellere optische chips.
Een tweede grote toepassing ligt in sensing: omdat de resonantiefrequentie van een oppervlakteplasmon heel gevoelig verandert wanneer er iets aan het metaaloppervlak bindt – bijvoorbeeld een eiwit of een virusdeeltje – kun je die verschuiving gebruiken om moleculen te detecteren, vaak zonder dat je ze met een kleurstof of label hoeft te markeren. Verder onderzoeken wetenschappers of metalen nanodeeltjes zonlicht beter kunnen invangen en verstrooien in dunne zonnecellen, of ze kankercellen gericht kunnen verhitten met infrarood licht, en of je met nanostructuren felle kleuren kunt maken zonder pigment, puur door de vorm en grootte van de plasmonische structuur te veranderen.
Voorbeelden uit de praktijk
De Lycurgusbeker (4e eeuw na Christus, nu in het British Museum) is misschien wel het oudste, onbedoelde voorbeeld van plasmonica. Deze Romeinse glazen beker verandert van kleur: in doorvallend licht lijkt hij rood, in weerkaatst licht groen. Pas eeuwen later, met analyses vanaf het einde van de twintigste eeuw, ontdekten onderzoekers dat de Romeinse glasblazers minuscule deeltjes goud en zilver in het glas hadden verwerkt. Die nanodeeltjes vertonen plasmonresonantie, waardoor ze licht van bepaalde kleuren absorberen en andere verstrooien – zonder dat de makers ooit wisten waarom.
In de moderne biotechnologie is surface plasmon resonance (SPR) een gevestigde meettechniek geworden. In 1990 bracht het Zweedse bedrijf Pharmacia Biosensor uit Uppsala het eerste commerciële SPR-instrument op de markt, onder de naam Biacore. Het apparaat, later overgenomen door GE Healthcare en tegenwoordig onderdeel van Cytiva, meet in real time hoe sterk twee moleculen aan elkaar binden, door te kijken naar minieme verschuivingen in de plasmonresonantie aan een metaaloppervlak waarop een van de moleculen is vastgezet. Deze techniek wordt wereldwijd gebruikt bij de ontwikkeling van medicijnen.
Aan Rice University in de Verenigde Staten ontwikkelden onderzoekers Naomi Halas en Peter Nordlander in 1998 zogeheten gouden nanoshells: bolletjes met een kern van glas en een dun goudlaagje eromheen, waarvan de plasmonresonantie precies af te stemmen is op infrarood licht dat door lichaamsweefsel heen kan dringen. Op basis van dit werk ontwikkelde het bedrijf Nanospectra Biosciences de AuroLase-therapie, waarbij deze nanodeeltjes zich ophopen in tumorweefsel en vervolgens met een infraroodlaser worden verhit om kankercellen te vernietigen. Deze behandeling heeft klinische studies in de Verenigde Staten doorlopen.
Aan het California Institute of Technology (Caltech) onderzocht een groep onder leiding van Harry Atwater hoe metalen nanodeeltjes zonlicht beter kunnen invangen in dunne zonnecellen, door het licht via plasmonresonantie te verstrooien en te concentreren in het actieve materiaal. Hun veelgeciteerde overzichtsartikel "Plasmonics for improved photovoltaic devices", gepubliceerd in Nature Materials in 2010, bracht dit onderzoeksveld bij een breder publiek onder de aandacht.
Daarnaast is er onderzoek gedaan naar plasmonisch printen van kleur: door metalen nanostructuren in verschillende vormen en groottes te rangschikken, ontstaan levendige kleuren zonder gebruik van pigment of inkt, puur op basis van welke golflengtes licht de plasmonresonantie versterkt of juist uitdooft. Onderzoekers verbonden aan het Singaporese onderzoeksinstituut A*STAR publiceerden hierover begin jaren 2010 werk dat liet zien dat dergelijke kleuren in principe extreem duurzaam en op nanoschaal te printen zijn, al is dit vooralsnog vooral een laboratoriumdemonstratie gebleven.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus van plasmonica verschilt sterk per toepassing. SPR-sensoren van het type Biacore zijn volwassen, commercieel verkrijgbaar en worden al decennia routinematig gebruikt in laboratoria over de hele wereld – dit is verreweg de meest ingeburgerde toepassing van plasmonen. Foto-thermische therapieën met gouden nanodeeltjes, zoals AuroLase, bevinden zich in een verder gevorderd stadium van klinisch onderzoek, maar zijn nog geen standaardbehandeling in de reguliere zorg.
Plasmonische zonnecellen en optische chips zitten grotendeels nog in de onderzoeksfase. Het fundamentele obstakel is hardnekkig: de ohmse verliezen die eerder werden genoemd, zorgen ervoor dat plasmon-golven al na een korte afstand uitdoven doordat hun energie in warmte verdwijnt. Voor sensoren is dat geen groot probleem, omdat daar maar een piepklein oppervlak nodig is. Maar voor toepassingen waarbij signalen over langere afstanden door een chip moeten reizen – zoals bij optische computerchips – is dit verlies een serieuze belemmering, waar na decennia onderzoek nog geen afdoende oplossing voor is gevonden. Onderzoekers experimenteren met alternatieve materialen die minder verliesgevend zijn dan traditionele metalen als goud en zilver, maar een doorbraak die het verliesprobleem definitief oplost, is er tot nu toe niet.
Wie werken eraan?
Plasmonica en het bredere veld van nanofotonica – de studie van licht op nanoschaal – worden onderzocht aan universiteiten en instituten wereldwijd. In de Verenigde Staten hebben onder meer Rice University (met het werk van Naomi Halas en Peter Nordlander) en Caltech (met het werk van Harry Atwater) een lange onderzoekstraditie op dit gebied opgebouwd. In Nederland is AMOLF in Amsterdam een vooraanstaand onderzoeksinstituut op het gebied van nanofotonica, waar onder meer wordt gekeken naar hoe licht zich gedraagt in nanostructuren, inclusief plasmonische effecten.
Daarnaast zijn universiteiten en onderzoeksgroepen in verschillende Europese landen, de Verenigde Staten en Azië – waaronder Singapore – actief in dit veld, vaak in combinatie met aangrenzende onderzoeksgebieden zoals metamaterialen en nano-optica. Het is een internationaal, sterk academisch gedreven onderzoeksterrein, waarbij commerciële toepassingen zich tot nu toe vooral hebben doorgezet in de sensortechnologie.