Het onzichtbare licht betrapt

dr. Paul Planken (Optica, TNW) werkt met een groep onderzoekers aan een terahertz-microscoop. En is niet bang om interessante zijpaden in te slaan.

Bent u een typische bèta?

“Niet echt. Ik ben op school altijd beter geweest in talen dan in bètavakken. Maar ik wilde natuurkundeprofessor worden. Ik herinner me nog hoe een oom me uitlegde hoe je een lampje op een batterij moest aansluiten. Vanaf dat moment ging het van kwaad tot erger… Ik bracht onder de deurmat een pincet aan die als lichtschakelaar werkte: dat was een inbrekersalarm! Ik heb zenders gebouwd, tot wanhoop van de bovenburen, die het tv-beeld opeens op zwart zagen gaan.”

Ik moet aan Guust Flater denken.

“Ja, hoeveel dingen ik niet heb opgeblazen, stukgemaakt, gesloopt… Maar ik heb het geluk gehad dat ik in dat soort dingen heel vrij gelaten werd. Vandaag de dag is de maatschappij erop gericht risico’s zoveel mogelijk uit te bannen. En dat is jammer. Ik probeer daar zelf als ouder niet al te krampachtig in te zijn.”

Op het oneindig brede spectrum van de elektromagnetische straling bevindt zich, ingeklemd tussen microgolven en infrarood, de terahertz-straling. Halverwege de jaren negentig zijn de mogelijkheden van die terahertz-straling voor het eerst aan het licht gekomen. Waarom juist toen?

“Dat was meer dan een gelukkige samenloop van omstandigheden. Die ontdekking viel samen met de ontwikkeling van nieuwe bronnen en detectoren, die het maken van een afbeelding met terahertz-licht vereenvoudigden. En dan vallen alle puzzelstukjes op hun plaats. De technologie hielp de wetenschap.

Ik heb begin jaren negentig als postdoc een paar jaar bij Bell Labs gezeten. Daar hielden we ons onder meer met terahertz-straling bezig. Mijn toenmalige begeleider Martin Nuss heeft in 1995 een artikel gepubliceerd waarin hij liet zien dat je met die THz-straling door bepaalde dingen heen kunt kijken. Hij was ook de eerste die erin slaagde afbeeldingen te maken. Hij kon opeens met terahertz-straling door de een chip heen kijken, door een enveloppe… Triviale voorbeelden, maar op dat moment gingen mensen zich realiseren: terahertz kan gebruikt worden om iets nuttigs mee te doen!

Hoe hard de ontwikkeling de afgelopen vijftien jaar is gegaan, blijkt wel uit de exponentiële toename van het aantal publicaties. Ik denk dat ik vijftien jaar geleden iedereen persoonlijk kende die in het vakgebied werkte. Dat is nu allang niet meer zo.

Het is ook komisch om te zien hoe bijna elke onderzoeker tegenwoordig het woord terahertz gebruikt. Begin jaren negentig sprak iedereen nog over ‘ver-infrarood’, behalve een groepje Duitse en Amerikaanse pioniers. Nu geldt dat woord ‘ver-infrarood’ als stoffig en ouderwets. Onderzoekers bedenken zich wel driemaal voor ze het in een onderzoeksvoorstel gebruiken.”

Een andere belangrijke doorbraak was de ontdekking dat het mogelijk moet zijn om een terahertz-microscoop te ontwikkelen waarmee je moleculen kunt bestuderen. Hoe bent u daar destijds achter gekomen?

“Vrij toevallig, eigenlijk. Ik was bezig met het bouwen van terahertz-emitters die zoveel mogelijk THz-licht moesten geven. Het idee was om een elektrode te maken met een heel scherpe metalen punt die zou werken als een soort bliksemafleider. Als je een spanning aanlegt over die metalen punt, zal het lokale statische elektrische veld heel hoog zijn. En dan zal de laser in de buurt van dat veld wellicht intense THz-straling opwekken. Dat was het idee. Ik was ermee aan het stoeien, en hield per ongeluk zo’n metalen punt dicht in de buurt van mijn detector. Ik zag opeens een enorme piek in het gemeten terahertz-signaal. Dat was zo’n moment waarop je denkt: hé, hoe kan dat nou? Die metalen punt ging optreden als piepklein bronnetje van terahertz-licht.”

En de nieuwe terahertz-microscoop was geboren!

“Zo snel gaat dat niet. Die microscoop is nog volop in ontwikkeling. Ik denk dat het nog vijf jaar duurt voor het zover is. Maar op dat moment is wel de basis gelegd. Met een conventionele terahertz-microscoop zou je nooit dingen kunnen zien die kleiner zijn dan een halve golflengte, een paar honderd micrometer. Die limiet kun je doorbreken met een terahertz-lichtbron die veel kleiner is dan die golven. En dat lukt dus met behulp van die kleine naald.”

En dat opent nieuwe mogelijkheden?

“Veel organische moleculen blijken in het THz-gebied een unieke handtekening te hebben, omdat de THz-kleuren die ze absorberen per molecule verschillen. Dat zou toepassingen in de farmaceutica mogelijk kunnen maken. Maar ik denk nog eerder aan het meten van biologische cellen. Mijn onderzoek zit tussen fundamenteel en toegepast in. We ontwikkelen technologie die je over een aantal jaren kunt toepassen. Maar als je tijdens je onderzoek onverwachts iets meet dat niets met die toepassing te maken heeft, maar prachtig en intrigerend is, laat je het dan liggen? Nee, natuurlijk. Die microscopie was een voorbeeld van zo’n interessant zijspoor. We doen nu veel onderzoek dat draait om de vraag: hoe kan licht door een piepklein gat heen, een gat dat nog kleiner is dan die halve golflengte waar ik het daarnet over had? We hebben een techniek bedacht die het mogelijk maakt tot in het kleinste detail te zien wat er dan gebeurt. Als je bijvoorbeeld verschillende van die piepkleine gaatjes maakt, vlak naast elkaar, gaan de lichtgolven aan de andere kant van de gaatjes alle kanten op. Het is alsof het licht heen en weer klotst tussen de gaten. En we meten heel veel THz-kleuren tegelijk. Dat was tot voor kort niet mogelijk.”

Hoe is het om zulke beelden voor de eerste keer te zien?

“We hebben wekenlang naar die filmpjes gestaard en alleen maar ‘wow…’ gezegd. Ze zijn ook goed te gebruiken tijdens colleges, waar studenten soms vragen: wat is nou licht? Of, in technische termen: wat is nou de rotatie van het elektrische veld? Nou, dit dus. Draaikolken van licht. Het doet soms een beetje denken aan water dat door een gat wegloopt. Het is alsof je het THz-licht betrapt hebt. Voor de eerste keer. Ik zeg ook altijd in het college: je moet beseffen dat in dit filmpje van circa tien seconden de snelheid van het licht als het ware is vertraagd met een factor van tienduizend miljard.”

Hebben jullie er bewust voor gekozen om jullie onderzoek niet toe te spitsen op security-toepassingen, zoals terrorismebestrijding?

“Een beetje wel. Grote bedrijven zijn zich daar al in een vroeg stadium mee gaan bezighouden. Die kunnen daar zo verschrikkelijk veel geld tegenaan gooien dat er voor een universitaire vakgroep nauwelijks tegenop te concurreren valt. Bovendien draait het vooral om technische verbeteringen en niet om wetenschappelijk onderzoek. Daar ligt mijn interesse niet.”

Zijn die terahertz-scans op bijvoorbeeld Schiphol voldoende om terroristische aanslagen te voorkomen?

“Je kunt voorkomen dat iemand bepaalde typen wapens aan boord van een vliegtuig smokkelt. Zelfs een keramisch mes of vuurwapen kan op die manier gedetecteerd worden. Dat zal het risico zeker verminderen. Maar geen enkele veiligheidsmaatregel kan het risico geheel uitsluiten. We moeten niet al te hooggespannen verwachtingen koesteren. Dat geldt voor alle technologie. Ik heb grote moeite met de hype die soms gecreëerd wordt rond mogelijke medische toepassingen. Terahertz-straling als middel om tandbederf sneller te detecteren bijvoorbeeld. Ik zie het gewoon niet gebeuren. Zulke opnamen duren een half uur! Een tandarts kan een gaatje nu in een paar seconden ontdekken. Ook bij de claims dat je huidkanker sneller zou kunnen opsporen kun je vraagtekens plaatsen. Ik geloof wel dat je huidkanker kunt waarnemen met THz-straling, maar de relevante vraag is wat THz-detectie van huidkanker toevoegt aan al bestaande technieken om huidkanker waar te nemen. Ik heb zo mijn twijfels over die meerwaarde.

THz-straling kan niet door water heen dringen, en het menselijk lichaam bestaat voor een groot deel uit water. Ziedaar het grote probleem als het om medische toepassingen van terahertz-straling gaat. Je kunt beter geen dingen beloven die je niet kunt waarmaken. Zo’n hype keert zich op een dag tegen je. En dan wordt het misschien voor alle terahertz-onderzoekers moeilijk om geld te krijgen. Gelukkig is dat probleem nu niet aan de orde.”
Wie is Paul Planken?

Paul Planken (Den Haag, 1964) kan zich verbazen over het gemak waarmee zijn drie jonge kinderen (zoon van tien, tweeling van acht) een concept als negatieve getallen oppikken, als het maar op een aansprekende manier uitgelegd wordt. “En ik ben echt niet het soort vader dat zijn kinderen na een schooldag handenwrijvend begroet met de woorden: en nu gaan we lekker wiskunde doen!”

Planken vermaakt zijn kinderen graag met geïmproviseerde verhalen waarin ze zelf de hoofdrol spelen. Hij beseft dat ook in de wetenschap het belang van een spannend verhaal niet mag worden onderschat. “Het kan het verschil uitmaken tussen net wel of net niet onderzoeksgeld krijgen.”

Planken, die in Leiden natuurkunde studeerde en in 1991 promoveerde aan de Universiteit van Amsterdam, doet in Delft sinds 1993 onderzoek naar terahertz-straling. Hij geldt als een autoriteit. “Maar tegenwoordig zijn er zoveel verschillende soorten THz-onderzoek dat het niet eenvoudig is om de koplopers aan te wijzen. Dat verschilt per deelgebied.” Er is in zijn onderzoeksveld sprake van gezonde concurrentie, zegt Planken. “Maar we bijten elkaar niet de strot af. En dat bevalt me.”

Bent u een typische bèta?

“Niet echt. Ik ben op school altijd beter geweest in talen dan in bètavakken. Maar ik wilde natuurkundeprofessor worden. Ik herinner me nog hoe een oom me uitlegde hoe je een lampje op een batterij moest aansluiten. Vanaf dat moment ging het van kwaad tot erger… Ik bracht onder de deurmat een pincet aan die als lichtschakelaar werkte: dat was een inbrekersalarm! Ik heb zenders gebouwd, tot wanhoop van de bovenburen, die het tv-beeld opeens op zwart zagen gaan.”

Ik moet aan Guust Flater denken.

“Ja, hoeveel dingen ik niet heb opgeblazen, stukgemaakt, gesloopt… Maar ik heb het geluk gehad dat ik in dat soort dingen heel vrij gelaten werd. Vandaag de dag is de maatschappij erop gericht risico’s zoveel mogelijk uit te bannen. En dat is jammer. Ik probeer daar zelf als ouder niet al te krampachtig in te zijn.”

Op het oneindig brede spectrum van de elektromagnetische straling bevindt zich, ingeklemd tussen microgolven en infrarood, de terahertz-straling. Halverwege de jaren negentig zijn de mogelijkheden van die terahertz-straling voor het eerst aan het licht gekomen. Waarom juist toen?

“Dat was meer dan een gelukkige samenloop van omstandigheden. Die ontdekking viel samen met de ontwikkeling van nieuwe bronnen en detectoren, die het maken van een afbeelding met terahertz-licht vereenvoudigden. En dan vallen alle puzzelstukjes op hun plaats. De technologie hielp de wetenschap.

Ik heb begin jaren negentig als postdoc een paar jaar bij Bell Labs gezeten. Daar hielden we ons onder meer met terahertz-straling bezig. Mijn toenmalige begeleider Martin Nuss heeft in 1995 een artikel gepubliceerd waarin hij liet zien dat je met die THz-straling door bepaalde dingen heen kunt kijken. Hij was ook de eerste die erin slaagde afbeeldingen te maken. Hij kon opeens met terahertz-straling door de een chip heen kijken, door een enveloppe… Triviale voorbeelden, maar op dat moment gingen mensen zich realiseren: terahertz kan gebruikt worden om iets nuttigs mee te doen!

Hoe hard de ontwikkeling de afgelopen vijftien jaar is gegaan, blijkt wel uit de exponentiële toename van het aantal publicaties. Ik denk dat ik vijftien jaar geleden iedereen persoonlijk kende die in het vakgebied werkte. Dat is nu allang niet meer zo.

Het is ook komisch om te zien hoe bijna elke onderzoeker tegenwoordig het woord terahertz gebruikt. Begin jaren negentig sprak iedereen nog over ‘ver-infrarood’, behalve een groepje Duitse en Amerikaanse pioniers. Nu geldt dat woord ‘ver-infrarood’ als stoffig en ouderwets. Onderzoekers bedenken zich wel driemaal voor ze het in een onderzoeksvoorstel gebruiken.”

Een andere belangrijke doorbraak was de ontdekking dat het mogelijk moet zijn om een terahertz-microscoop te ontwikkelen waarmee je moleculen kunt bestuderen. Hoe bent u daar destijds achter gekomen?

“Vrij toevallig, eigenlijk. Ik was bezig met het bouwen van terahertz-emitters die zoveel mogelijk THz-licht moesten geven. Het idee was om een elektrode te maken met een heel scherpe metalen punt die zou werken als een soort bliksemafleider. Als je een spanning aanlegt over die metalen punt, zal het lokale statische elektrische veld heel hoog zijn. En dan zal de laser in de buurt van dat veld wellicht intense THz-straling opwekken. Dat was het idee. Ik was ermee aan het stoeien, en hield per ongeluk zo’n metalen punt dicht in de buurt van mijn detector. Ik zag opeens een enorme piek in het gemeten terahertz-signaal. Dat was zo’n moment waarop je denkt: hé, hoe kan dat nou? Die metalen punt ging optreden als piepklein bronnetje van terahertz-licht.”

En de nieuwe terahertz-microscoop was geboren!

“Zo snel gaat dat niet. Die microscoop is nog volop in ontwikkeling. Ik denk dat het nog vijf jaar duurt voor het zover is. Maar op dat moment is wel de basis gelegd. Met een conventionele terahertz-microscoop zou je nooit dingen kunnen zien die kleiner zijn dan een halve golflengte, een paar honderd micrometer. Die limiet kun je doorbreken met een terahertz-lichtbron die veel kleiner is dan die golven. En dat lukt dus met behulp van die kleine naald.”

En dat opent nieuwe mogelijkheden?

“Veel organische moleculen blijken in het THz-gebied een unieke handtekening te hebben, omdat de THz-kleuren die ze absorberen per molecule verschillen. Dat zou toepassingen in de farmaceutica mogelijk kunnen maken. Maar ik denk nog eerder aan het meten van biologische cellen. Mijn onderzoek zit tussen fundamenteel en toegepast in. We ontwikkelen technologie die je over een aantal jaren kunt toepassen. Maar als je tijdens je onderzoek onverwachts iets meet dat niets met die toepassing te maken heeft, maar prachtig en intrigerend is, laat je het dan liggen? Nee, natuurlijk. Die microscopie was een voorbeeld van zo’n interessant zijspoor. We doen nu veel onderzoek dat draait om de vraag: hoe kan licht door een piepklein gat heen, een gat dat nog kleiner is dan die halve golflengte waar ik het daarnet over had? We hebben een techniek bedacht die het mogelijk maakt tot in het kleinste detail te zien wat er dan gebeurt. Als je bijvoorbeeld verschillende van die piepkleine gaatjes maakt, vlak naast elkaar, gaan de lichtgolven aan de andere kant van de gaatjes alle kanten op. Het is alsof het licht heen en weer klotst tussen de gaten. En we meten heel veel THz-kleuren tegelijk. Dat was tot voor kort niet mogelijk.”

Hoe is het om zulke beelden voor de eerste keer te zien?

“We hebben wekenlang naar die filmpjes gestaard en alleen maar ‘wow…’ gezegd. Ze zijn ook goed te gebruiken tijdens colleges, waar studenten soms vragen: wat is nou licht? Of, in technische termen: wat is nou de rotatie van het elektrische veld? Nou, dit dus. Draaikolken van licht. Het doet soms een beetje denken aan water dat door een gat wegloopt. Het is alsof je het THz-licht betrapt hebt. Voor de eerste keer. Ik zeg ook altijd in het college: je moet beseffen dat in dit filmpje van circa tien seconden de snelheid van het licht als het ware is vertraagd met een factor van tienduizend miljard.”

Hebben jullie er bewust voor gekozen om jullie onderzoek niet toe te spitsen op security-toepassingen, zoals terrorismebestrijding?

“Een beetje wel. Grote bedrijven zijn zich daar al in een vroeg stadium mee gaan bezighouden. Die kunnen daar zo verschrikkelijk veel geld tegenaan gooien dat er voor een universitaire vakgroep nauwelijks tegenop te concurreren valt. Bovendien draait het vooral om technische verbeteringen en niet om wetenschappelijk onderzoek. Daar ligt mijn interesse niet.”

Zijn die terahertz-scans op bijvoorbeeld Schiphol voldoende om terroristische aanslagen te voorkomen?

“Je kunt voorkomen dat iemand bepaalde typen wapens aan boord van een vliegtuig smokkelt. Zelfs een keramisch mes of vuurwapen kan op die manier gedetecteerd worden. Dat zal het risico zeker verminderen. Maar geen enkele veiligheidsmaatregel kan het risico geheel uitsluiten. We moeten niet al te hooggespannen verwachtingen koesteren. Dat geldt voor alle technologie. Ik heb grote moeite met de hype die soms gecreëerd wordt rond mogelijke medische toepassingen. Terahertz-straling als middel om tandbederf sneller te detecteren bijvoorbeeld. Ik zie het gewoon niet gebeuren. Zulke opnamen duren een half uur! Een tandarts kan een gaatje nu in een paar seconden ontdekken. Ook bij de claims dat je huidkanker sneller zou kunnen opsporen kun je vraagtekens plaatsen. Ik geloof wel dat je huidkanker kunt waarnemen met THz-straling, maar de relevante vraag is wat THz-detectie van huidkanker toevoegt aan al bestaande technieken om huidkanker waar te nemen. Ik heb zo mijn twijfels over die meerwaarde.

THz-straling kan niet door water heen dringen, en het menselijk lichaam bestaat voor een groot deel uit water. Ziedaar het grote probleem als het om medische toepassingen van terahertz-straling gaat. Je kunt beter geen dingen beloven die je niet kunt waarmaken. Zo’n hype keert zich op een dag tegen je. En dan wordt het misschien voor alle terahertz-onderzoekers moeilijk om geld te krijgen. Gelukkig is dat probleem nu niet aan de orde.”
Wie is Paul Planken?

Paul Planken (Den Haag, 1964) kan zich verbazen over het gemak waarmee zijn drie jonge kinderen (zoon van tien, tweeling van acht) een concept als negatieve getallen oppikken, als het maar op een aansprekende manier uitgelegd wordt. “En ik ben echt niet het soort vader dat zijn kinderen na een schooldag handenwrijvend begroet met de woorden: en nu gaan we lekker wiskunde doen!”

Planken vermaakt zijn kinderen graag met geïmproviseerde verhalen waarin ze zelf de hoofdrol spelen. Hij beseft dat ook in de wetenschap het belang van een spannend verhaal niet mag worden onderschat. “Het kan het verschil uitmaken tussen net wel of net niet onderzoeksgeld krijgen.”

Planken, die in Leiden natuurkunde studeerde en in 1991 promoveerde aan de Universiteit van Amsterdam, doet in Delft sinds 1993 onderzoek naar terahertz-straling. Hij geldt als een autoriteit. “Maar tegenwoordig zijn er zoveel verschillende soorten THz-onderzoek dat het niet eenvoudig is om de koplopers aan te wijzen. Dat verschilt per deelgebied.” Er is in zijn onderzoeksveld sprake van gezonde concurrentie, zegt Planken. “Maar we bijten elkaar niet de strot af. En dat bevalt me.”