Plasmon-canalisatie: licht dat door een kanaal stroomt in plaats van uitwaaiert
Gooi een steen in een vijver en je ziet de rimpelingen in alle richtingen tegelijk uitwaaieren, als steeds groter wordende cirkels. Zo gedraagt licht zich meestal ook wanneer je het op nanoschaal probeert vast te leggen: het spreidt uit en verliest daarbij snel aan scherpte en intensiteit. Plasmon-canalisatie is een natuurkundig verschijnsel waarbij die verspreiding juist niet gebeurt. In bepaalde kristallen kan een golf van energie zich voortplanten als water in een kanaal: strak gebundeld, in één richting, zonder uit te waaieren, ook al is het "kanaal" slechts een paar nanometer breed.
De golven waar het om gaat, heten plasmonen: dat zijn collectieve trillingen van vrije elektronen in een materiaal, die zich kunnen gedragen als een soort licht dat is samengeperst tot ver onder de golflengte van gewoon zichtbaar licht. Normaal gesproken spreidt zo'n plasmon, net als de rimpeling in de vijver, in alle richtingen tegelijk uit vanaf het punt waar hij ontstaat. In speciale, sterk anisotrope materialen (materialen die in verschillende richtingen totaal ander gedrag vertonen) kan de golf echter "gecanaliseerd" worden: hij loopt dan als een smalle, rechte straal in slechts één of twee voorkeursrichtingen. Onderzoekers zien hierin een mogelijke bouwsteen voor toekomstige nanofotonische chips, extreem gevoelige sensoren en nieuwe manieren om warmte op nanoschaal te sturen.
Wat is het precies?
Om canalisatie te begrijpen, moet je eerst weten wat een plasmon-polariton is. Wanneer licht invalt op het oppervlak van een geleidend materiaal, zoals metaal of gedoteerd grafeen (een laag koolstofatomen van één atoom dik), kan het de vrije elektronen daarin laten meetrillen. Die gekoppelde trilling van licht en elektronen heet een plasmon-polariton, vaak kortweg plasmon genoemd. Het bijzondere is dat deze golf een veel kortere golflengte kan hebben dan het licht dat hem opwekte, waardoor informatie op een schaal van enkele nanometers kan worden vastgelegd, ver voorbij wat een gewone lens (beperkt door het zogeheten diffractielimiet) kan onderscheiden.
In een normaal materiaal breidt zo'n plasmon zich, net als de rimpeling in de vijver, in principe in elke richting even makkelijk uit. Natuurkundigen beschrijven dit met een zogeheten dispersierelatie: een wiskundige beschrijving van hoe de golf zich in verschillende richtingen gedraagt. Bij de meeste materialen heeft die relatie de vorm van een cirkel of ellips, wat neerkomt op die gelijkmatige, isotrope verspreiding.
In sommige kristallen, zogeheten hyperbolische materialen, is die dispersierelatie geen ellips maar een hyperbool: een open, twee-armige kromme. Dat heeft een verrassend gevolg. Bij een hyperbolische kromme kunnen golven met heel verschillende golflengtes toch bijna dezelfde voortplantingsrichting hebben. Op een specifiek punt in die kromme, het zogeheten canalisatiepunt, wordt de kromme lokaal bijna plat: alle golfcomponenten bewegen dan vrijwel exact evenwijdig aan elkaar, in plaats van in een waaier van richtingen. Het resultaat is een bundel die zich, in tegenstelling tot normaal licht, nauwelijks verbreedt naarmate hij zich voortplant: een diffractievrije straal op nanoschaal.
Materialen die dit gedrag vertonen zijn onder meer hexagonaal boornitride (hBN, een isolerend kristal dat lijkt op grafeen), en molybdeentrioxide (α-MoO3), een natuurlijk voorkomend hyperbolisch kristal. In deze materialen zijn het vaak niet alleen plasmonen, maar ook fonon-polaritonen (trillingen van het kristalrooster zelf, gekoppeld aan licht) die gecanaliseerd worden. Door zulke kristallen te combineren met grafeen, waarvan de elektronendichtheid en dus het plasmongedrag elektrisch kan worden bijgestuurd door er een spanning op te zetten, kunnen onderzoekers de richting en sterkte van de canalisatie actief regelen in plaats van vast te leggen in het kristalrooster.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het omzeilen van het diffractielimiet: de natuurkundige grens die bepaalt hoe klein je licht met gewone lenzen kunt focussen, ruwweg de helft van de golflengte. Met gecanaliseerde plasmonen hopen onderzoekers beeldvorming en signaaloverdracht mogelijk te maken op een schaal van enkele nanometers, wat relevant is voor het bestuderen van individuele moleculen, virusdeeltjes of defecten in materialen.
Een tweede doel is het bouwen van nanofotonische circuits: chips waarin informatie niet met elektronen door koperdraden reist, maar met licht door extreem kleine "golfgeleiders", zonder de energieverliezen die je krijgt als het licht in alle richtingen uitwaaiert. Canalisatie zou zulke circuits compacter en efficiënter kunnen maken dan wat nu met gewone optische chips haalbaar is.
Daarnaast onderzoekt men toepassingen in warmtebeheer op nanoschaal. Fonon-polaritonen die warmte-energie dragen, kunnen met canalisatie gericht worden gestuurd, wat interessant is voor het afvoeren van warmte uit steeds kleinere elektronica, of voor het bouwen van thermische camouflage. Ook wordt gekeken naar zeer gevoelige sensoren, omdat gecanaliseerde golven sterk reageren op kleine veranderingen in hun directe omgeving, zoals de aanwezigheid van een enkele moleculaire laag.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept "canalisatieregime" werd oorspronkelijk, rond 2005, geïntroduceerd in het onderzoek naar zogeheten wire-medium metamaterialen: kunstmatige structuren van evenwijdige, dunne metaaldraadjes waarmee onderzoekers zoals Pavel Belov en collega's lieten zien dat subgolflengte-details van een beeld over een afstand konden worden "doorgegeven", alsof elk draadje een aparte pixel doorstuurde. Dit was nog geen plasmon-canalisatie in 2D-kristallen, maar legde wel de theoretische basis en gaf het verschijnsel zijn naam.
Rond 2020 verschenen enkele veelbesproken studies naar canalisatie in gestapelde, tegen elkaar verdraaide lagen van α-MoO3 ("twisted bilayers"), waarbij de canalisatierichting van fonon-polaritonen scherp verandert bij bepaalde, specifieke draaihoeken tussen de lagen, vergelijkbaar met de "magische hoeken" die eerder bekend werden van verdraaid dubbellaags grafeen. Groepen verbonden aan onder meer de Columbia University (VS) en instituten in Singapore en China rapporteerden dit soort waarnemingen met behulp van infrarood-nabijveldmicroscopie.
Onderzoekers van het Spaanse CIC nanoGUNE, onder wie Pablo Alonso-González en Rainer Hillenbrand, publiceerden meerdere werken waarin ze lieten zien hoe gecanaliseerde fonon-polaritonen in hBN en α-MoO3 zich laten breken, reflecteren en focussen alsof het gewoon licht is, wat de weg opende naar "nano-optische" elementen zoals lenzen en spiegels op deze schaal.
Een directe koppeling met plasmonen kwam met studies waarin een laag grafeen boven op α-MoO3 werd aangebracht: door de elektronendichtheid in het grafeen elektrisch te veranderen (te "dopen"), bleek de canalisatierichting van de onderliggende hybride plasmon-fononpolaritonen actief bij te sturen, iets wat met een vast kristal alleen niet mogelijk is. Dit werk, met bijdragen van onder meer Chinese en Amerikaanse onderzoeksgroepen, wordt gezien als een stap richting elektrisch schakelbare nano-optische componenten.
Ook grafeen-plasmonen zelf, zonder hyperbolisch kristal eronder, zijn onderwerp van studie: door grafeen op gestructureerde ondergronden te leggen, proberen groepen wereldwijd vergelijkbare richtinggevoelige golfgeleiding te bereiken, al is dat effect doorgaans zwakker dan in de van der Waals-hyperbolische kristallen.
Hoe ver is de techniek?
Plasmon- en polaritoncanalisatie is op dit moment vrijwel uitsluitend fundamenteel laboratoriumonderzoek. De waarnemingen gebeuren met gespecialiseerde apparatuur zoals scanning near-field optical microscopy (s-SNOM), waarbij een scherpe naaldpunt over het materiaal beweegt om het nabije lichtveld op nanoschaal in kaart te brengen. Er bestaan geen commerciële producten die op dit principe draaien; de dichtstbijzijnde toepassingen zitten nog in de fase van proof-of-concept demonstraties in onderzoeksopstellingen.
Het tempo van publicaties is de afgelopen vijf tot zeven jaar duidelijk toegenomen, gedreven door de opkomst van goed beheersbare van der Waals-materialen en steeds preciezere nabijveldtechnieken. Toch blijven er stevige obstakels. Verliezen (demping) in de materialen beperken hoe ver een gecanaliseerde golf kan reizen voordat de energie wegvloeit als warmte. Veel van de mooiste resultaten zijn behaald bij infrarode golflengtes en soms bij lage temperaturen of in gecontroleerde, stofvrije laboratoriumomgevingen, wat afwijkt van de omstandigheden waarin een chip in een telefoon of datacenter zou moeten werken. Ook het op schaal en reproduceerbaar produceren van perfect uitgelijnde, verdraaide of gedoteerde 2D-laagjes is technisch lastig en nog geen industrieel proces.
Realistisch gezien gaat het hier om onderzoek dat, als het al tot toepassingen leidt, waarschijnlijk nog een decennium of langer nodig heeft om van laboratoriumdemonstratie naar bruikbare technologie te gaan. Onzeker is ook of canalisatie zelf ooit de basis wordt van een commercieel product, of vooral zal blijven bijdragen aan ons fundamentele begrip van hoe licht en materie op nanoschaal samenwerken.
Wie werken eraan?
Spanje speelt een prominente rol via CIC nanoGUNE in San Sebastián, waar groepen rond onder anderen Rainer Hillenbrand en Pablo Alonso-González baanbrekend werk hebben gedaan aan polaritonen in hBN en α-MoO3, vaak in samenwerking met het nabijgelegen Donostia International Physics Center en Spaanse universiteiten.
In de Verenigde Staten is Columbia University, met de groep van natuurkundige Dmitri Basov, een belangrijke speler op het gebied van polaritonen in 2D-materialen, evenals onderzoeksgroepen aan onder meer MIT en Berkeley die zich bezighouden met nanofotonica en van der Waals-heterostructuren.
China en Singapore zijn eveneens zeer actief: instituten zoals de Chinese Academy of Sciences en verschillende Chinese universiteiten publiceren regelmatig over verdraaide α-MoO3-structuren en hybride plasmon-fononpolaritonen, terwijl onderzoeksgroepen in Singapore, mede door de eerdere aanwezigheid van materiaalonderzoeker Qiaoliang Bao, bijdroegen aan het werk over "fotonische magische hoeken".
Daarnaast dragen instituten als het Duitse Max Planck Institute en het Catalaanse ICFO (Institut de Ciències Fotòniques) bij aan het bredere veld van nanofotonica en polaritonica waarbinnen canalisatie wordt bestudeerd. Het onderzoek is overwegend academisch en wordt doorgaans gefinancierd via nationale wetenschapsfondsen en Europese onderzoeksprogramma's, zonder dat er tot nu toe grote commerciële spelers publiekelijk een leidende rol claimen.