Spijkerbedje van licht

”Als je een glasvezel uitrekt tot een minuscuul dun draadje van, zeg, vijftig nanometer doorsnee, kun je dat gebruiken als een minieme spotlight voor héél dicht bij het oppervlak. Denk aan tien nanometer.” Aan het woord is prof.dr. Ted Young van de groep quantative imaging bij Technische Natuurwetenschappen. Hij vertelt over een van de manieren waarop optici proberen lichtmicroscopen geschikt te maken voor waarnemingen in het nanometergebied. Vroeger ging men er van uit dat de golflengte van licht (typisch vijfhonderd nanometer) de ondergrens van de waarneming was, maar ondertussen zijn er optische microscopen ontwikkeld die met allerlei trucs een resolutie (scheidend vermogen) van twintig nanometer bereiken. Het lichtvlekje dat Ted Young beschrijft wordt in een near field scanning optical microscope gebruikt om zeer kleine oppervlakten mee te scannen. Dat geeft een extreem scherp beeld, maar je moet tientallen minuten wachten totdat het lichtpuntje het hele oppervlak heeft afgetast.

Tien jaar geleden stuitten de onderzoekers Henri Lezec (Frankrijk) en Thomas Ebbesen (Zweden) op een andere manier om heel fijne lichtpuntjes te maken. Ze ontdekten dat licht bijzondere eigenschappen krijgt wanneer het door een regelmatig patroon van metalen gaatjes treedt, kleiner dan de eigen golflengte. Ze noemden het ‘extraordinary transmission’. Het buitengewone licht heeft een veel grotere intensiteit dan verwacht en bovendien verspreidt het zich niet in alle richtingen – zoals Huygens zei – maar vormt het kleine, nauwe ‘spots’ van licht. Boven een gatenraster ontstaat zo een spijkerbedje van lichtpiekjes. Het verschijnsel is nog niet goed begrepen en op congressen over dit onderwerp gaat het er ‘levendig aan toe’. “Mensen vallen elkaar zowat aan over elkaars theorieën”, vertelt ir. Margreet Docter, die volgende week bij Young promoveert.
Docter begon vier jaar geleden aan een onderzoek naar de toepassing van het bijzondere licht voor de microscopie in de zogenaamde midfield-microscoop, die volgens Young mogelijk geschikt is voor de inspectie van microchips.

Docter gebruikte een raster van goudfolie waarin bij Dimes in twee richtingen gaatjes van 150 nanometer waren aangebracht op onderlinge afstand van zeshonderd nanometer. De bedoeling was om een alternatief te ontwikkelen voor de scannende optische microscoop, die met een enkel lichtpuntje werkt. Een patroon van 65 bij 65 of zelfs 100 bij 100 lichtpuntjes zou een oppervlakte veel sneller kunnen scannen. Onderzoek moest uitwijzen of het lichtpatroon daar geschikt voor zou zijn.
Margreet Docter deed berekeningen aan de lichtpatronen en ze mat ze in de werkelijkheid. Ze ontdekte dat de lichtkegeltjes ongeveer 150 nanometer breed zijn en tot ongeveer zes micrometer van het oppervlak reiken. Young: “In vergelijking met de nearfield-microscoop is dat minimaal honderd maal verder.

Dat leek veelbelovend, maar de eerste scans verliepen moeizaam. Tussen het dekglas van de microscoop en het gouden gaatjespatroon zit een dun filmpje water, en dat blijkt tijdens het scannen het gaatjespatroon mee te trekken. Margreet Docter: “Het probleem is dat er door de wrijving geen mooie scan gemaakt kan worden. Een scan langs lijnen in een vierkant ziet eruit als een hanenkam.” Daardoor heeft ze nog niet aan kunnen tonen dat de resolutie zo goed is als berekend.

Ted Young tilt daar niet zwaar aan. “Het is een engineering problem, geen fundamenteel wetenschappelijke kwestie”, vindt hij. Binnenkort begint onderzoek naar een andere manier om een spijkerbedje van licht te maken met een geëtst traliepatroon op glas. Young kan zich er nu al op verheugen, want vermoedelijk geeft het tralie meer licht in de microscoop. “We werken hier met een waargenomen verschijnsel waar nog geen sluitende verklaring voor bestaat. Dat maakt het interessant.”