Trillende moleculen zetten infrarood om in zichtbaar licht

Nanofotonica Voor zichtbaar licht bestaan goede en goedkope camera’s. Maar infrarood is nu nog lastig waar te nemen.

Impressie van de gouden balletjes in een gouden groef.
Impressie van de gouden balletjes in een gouden groef. Beeld Nicolas Antille

Lastig meetbare infraroodstraling kan met een slim apparaatje via trillende moleculen omgezet worden in zichtbaar licht. De techniek, die onder meer het herkennen van chemische stoffen eenvoudiger kan maken, is vrijdag gepresenteerd in het vakblad Science.

Onzichtbare infraroodstraling, die voelbaar kan zijn als warmte, bestaat net als zichtbaar licht uit elektromagnetische golven. Het verschil is dat de frequentie van zichtbaar licht hoger is dan die van infraroodstraling.

„Voor zichtbaar licht hebben we goede, gevoelige camera’s”, vertelt Ewold Verhagen, hoogleraar nanofotonica aan het Amsterdamse onderzoeksinstituut Amolf. „De huidige infrarooddetectoren, met name voor de lage frequenties, zijn minder gevoelig en duurder. Terwijl dit stralingsspectrum wel interessant is.” Het wordt bijvoorbeeld gebruikt voor beveiligingsscanners op vliegvelden en om chemische en biologische stoffen te identificeren (infraroodspectografie); elke stof absorbeert specifieke delen van het infraroodspectrum. Dat levert een ‘vingerafdruk’ op.

Gouden balletjes

Om deze straling beter te meten ontwikkelden Amolf-onderzoekers met internationale collega’s een apparaat dat infrarood omzet in beter meetbaar zichtbaar licht. Daarvoor gebruiken ze een nanostructuur die bestaat uit gouden balletjes van enkele miljoensten van een millimeter groot die in een even minieme, gouden groef liggen. In het spleetje tussen zo’n balletje en de groef zitten speciaal gekozen moleculen. „De nanostructuur zorgt dat infraroodstraling die erop valt gefocust wordt in die spleet”, vertelt Verhagen. „Vervolgens laat de infraroodstraling de moleculen trillen.” Tegelijkertijd levert een laser de energie om de trilling van de moleculen om te zetten in zichtbaar licht.

„De moleculen trillen, net als een stemvork, op specifieke frequenties”, zegt Verhagen. Alleen infraroodstraling met dezelfde frequentie wordt omgezet in zichtbaar licht. Dat betekent dat je, door moleculen te kiezen (of te ontwerpen) die bij een andere frequentie trillen, apparaatjes kunt ontwikkelen die andere infraroodfrequenties zichtbaar maken.

Nu is aangetoond dat het werkt, gaan de onderzoekers de techniek efficiënter maken. „Daarnaar is een van onze doelen om het toepasbaar te maken voor infraroodstraling met lagere frequenties dan nu mogelijk is, omdat die nog lastiger te meten is”, zegt Verhagen. „We werken samen met chemici die moleculen kunnen ontwikkelen die daarvoor geschikt zijn.”

In Science verscheen vrijdag gelijktijdig een tweede, onafhankelijk artikel dat met een nét andere nanostructuur een vergelijkbaar resultaat heeft.