Het collectief klotsen van elektronen

Beschijn je een gouden nanofolie met een lichtkleur dan beïnvloed je het collectieve gedrag van de elektronen. De droom is dit ooit toe te passen in zonnecellen.

Wat er in hun gebrandschilderde ramen precies gebeurde, wisten ze niet. Maar eeuwen geleden hadden de makers al ontdekt dat ze hun glas flonkerende rode kleuren konden geven als ze er minuscule goudflintertjes doorheen mengden. De bron van dat flonkerende rood werd pas vorige eeuw bekend: ‘plasmonen’. Nepdeeltjes zijn dat, of netter: ‘quasideeltjes’, bestaande uit talloze elektronen die door hun collectieve gedrag één geheel lijken te vormen. Een beetje zoals Noord-Koreanen met vlaggetjes in stadions.

Het leuke is dat het collectieve gedrag in het geval van plasmonen nog steeds verrast. Zo blijkt nu hun geraffineerde samenspel met specifieke kleuren licht (zoals dus in die gebrandschilderde ramen) óók te gebruiken voor het opwekken van elektrische spanning. Dat ontdekten fysici uit de groep van Albert Polman van onderzoeksinstituut FOM-AMOLF in Amsterdam, en uit de groep van Harry Atwater in Caltech in de Verenigde Staten (Science, online edition, 31 oktober)

Goudstructuurtjes op de nanoschaal zouden zo misschien elektrisch vermogen kunnen genereren – en een bijbehorend elektronisch circuitje kunnen voeden dat zijn energie dan dus regelrecht uit licht haalt. En stiekem dromen de onderzoekers al over toepassing in zonnecellen.

Klotsfrequentie

Hoe zit het met die plasmonen? In een metaal als goud voelen de buitenste elektronen van elk atoom zich weinig gebonden. Vrij zwerven ze rond. Alleen als ze in de nabijheid van een positief geladen ion (een atoom waarvan het buitenste elektron is weggezworven) komen, worden ze soms een beetje teruggefloten.

Dat geeft schommelingen in die zee van vrij zwervende elektronen – vergelijkbaar met de golven op een echte zee. Maar: de dimensies van minuscule goudflinters staan alleen golven met specifieke frequenties toe. Zo ontstaan juist in kleine goudflinters plasmonen – een collectief bewegende elektronenzee met één specifieke ‘klotsfrequentie’.

Zulke plasmonen spelen een verfijnd spel met licht. Hebben invallende lichtgolven een andere frequentie, dan worden ze gereflecteerd of doorgelaten. Maar hebben ze diezelfde ‘klotsfrequentie’, dan worden ze geabsorbeerd, deinen met het plasmon mee, en worden daarna deels in allerlei richtingen uitgezonden (‘verstrooid’). Dat geeft de warme flonkeringen bij een specifieke kleur, zoals rood voor goudflinters. Én het bracht fysici op ideeën.

Eerder al werd ontdekt dat je de dichtheid in de (negatief geladen) elektronenzee kunt vergroten door een elektrische spanning in het goud aan te leggen. De dichter opeengepakte elektronenzee heeft een iets andere klotsfrequentie, en flonkert daardoor bij een iets andere kleur licht.

Nu deden Polman, en collega’s het omgekeerde: ze beschenen goudstructuurtjes met een net verkeerde kleur (iets te lage of te hoge frequentie licht) en warmden zo de elektronenzee wat op. Zo drongen ze de elektronen dichter op elkaar en verder af van de ionen. Het gevolg: meer flonkering bij de ‘nieuwe’ kleur én een spanningsverschil in het goud.

Goudfolie

Het effect is subtiel: het kost energie om elektronen dichter bijeen te drijven want die blijven liever ver van elkaar. Aan de andere kant neemt de wanorde (entropie) toe, en dat is waar elk fysisch systeem naar streeft. Het evenwicht hiertussen leidt tot het ‘plasmo-elektrisch effect’, zoals de fysici het nieuwe effect hebben gedoopt.

Ze onderzochten het eerst met goudbolletjes, en daarna met een in Amsterdam ontworpen goudfolie met een nano-roosterpatroon van gaatjes. De metingen aan de spanning werden in Caltech uitgevoerd – en die bleek op te lopen tot 100 millivolt.

„Een verre droom is dat je dit kan toepassen in zonnecellen”, zegt Polman, „die immers licht omzetten in elektriciteit. Maar dat moet ik misschien nog niet zeggen. Voorlopig zullen we heel blij zijn als we ook elektrische stroom kunnen aftappen en dan een elektronisch circuitje kunnen voeden. Met hulp dus van een structuur die geheel gemaakt is van metaal.”