Hoe licht vloeit door een gouden zeef

Neem een dun laagje goud en doorzeef het met gaatjes, kleiner dan de golflengte van licht. Het metaal zal veel meer licht doorlaten dan je zou verwachten op grond van het gezamenlijke oppervlak van de gaatjes. Ook krijgt het on-goudachtige, felle kleuren.

Voor dit Extraordinary Optical Transmission (EOT) -effect geven Frerik van Beijnum en collega’s van de Universiteit Leiden en het onderzoeksinstituut FOM in Amsterdam voor het eerst een precieze verklaring (Nature, 20 december).

De eerste toepassingen van het effect, ontdekt in 1998, beginnen inmiddels op te duiken in de optica, de fotonica en in gevoelige sensoren voor chemicaliën of biomoleculen. Maar helemaal begrepen was het niet. De verklaring werd vooral gezocht in trillingen van elektronen in het goud-oppervlak. In een geleidend metaal als goud kunnen de elektronen zich zo vrij bewegen dat ze zich samen gedragen als één vloeibare zee. Invallend licht kan in die zee oppervlakterimpelingen veroorzaken, en die rimpelingen kunnen op hun beurt weer invallend licht meevoeren over het oppervlak.

Als de rimpeling bij een naburig gaatje aankomt, kan ze het meegevoerde licht door het gaatje heenloodsen, wat een deel van de hoge lichtdoorlatendheid verklaart. Maar niet alles, bleek uit metingen en berekeningen. Vooral als de gaatjes dicht bij elkaar liggen, is het EOT-effect sterker dan de oppervlakterimpelingen alleen voor hun rekening kunnen nemen.

Nog een veel bediscussieerde kandidaat-verklaring was de ‘bolgolf’, een speciaal type elektromagnetische golven dat rond de gaatjes wordt opgewekt. Net als de reizende oppervlakterimpelingen kunnen deze bolgolven helpen licht van het ene gaatje naar het andere te voeren. Maar de bolgolven zijn lastig direct te onderzoeken, omdat ze snel uitdoven op grotere afstanden. De onderzoekers kozen voor een indirecte aanpak en maakten verschillende goudplaatjes, waarin de gaatjes in rijen gerangschikt waren, met verschillende tussenafstanden tussen de rijen.

De oppervlakterimpeling-verklaring voorspelt dat het OET-effect gestaag groter wordt naarmate de rijen dichter naast elkaar staan, wat ook inderdaad gebeurde. Maar bij de kleinste tussenafstand schoot het EOT-effect zo sterk omhoog dat alleen een bolgolf dat kon verklaren. Alleen bij die kleine afstanden haalt de snel uitdovende bolgolf het naburige gaatje, om daar wat extra licht doorheen te loodsen. Zo is is voor het eerst de verhouding tussen beide verklaringen vastgesteld. Bruno van Wayenburg