‘Plasmonen’ laten glasvezel en chip met elkaar praten

Wereldwijd wordt veel onderzoek gedaan naar plasmonen: ultrakleine elektromagnetische golven die zich voortplanten aan het oppervlak van een metaal. Plasmonen hebben een sterke interactie met de elektronen in het metaal, waardoor de golflengte sterk wordt verkleind. Daarom kunnen plasmongolven zich bijvoorbeeld door extreem kleine gaatjes persen, zoals in 1998 werd ontdekt door de Franse onderzoeker Thomas Ebbesen.

Elektrisch opgewekt

In laboratoriumexperimenten werden plasmonen tot nu toe opgewekt met complexe laseropstellingen. In het ontwerp van het Amsterdam-Twentse team zijn de plasmonen voor het eerst elektrisch opgewekt. De onderzoekers bouwden daarvoor met nanotechnologie een schakeling die bestaat uit twee dunne metaalfilms, met daartussen siliciumdeeltjes ter grootte van slechts enkele nanometers. Door een elektrische spanning tussen de metaalfilms aan te leggen raken de siliciumdeeltjes aangeslagen, waarna ze hun energie uitzenden in de vorm van plasmongolven. De frequentie van de plasmonen wordt bepaald door de diameter van de nanodeeltjes.

Doordat plasmonen zo’n korte golflengte hebben en als het ware heel dicht tegen het metaal-oppervlak zijn aangeplakt, kunnen er extreem kleine optische schakelingen, met afmetingen van slechts tientallen nanometers, mee worden gebouwd. Daarmee wordt het mogelijk optische communicatietechnologie, die normaal gebruik maakt van relatief dikke glasvezels, te integreren met de elektrische chipindustrie, waar dimensies van slechts tientallen nanometer een rol spelen. Het licht wordt dan in de vorm van plasmonen over de computerchip geleid.

Lab-on-a-chip

Daarnaast zien de onderzoekers een bijzondere toepassing voor de plasmonbron in lab-on-a-chip producten, waarmee ziektes kunnen worden gediagnosticeerd of chemicaliën gedetecteerd. De plasmonbron wordt dan gebruikt als sensor waarmee kleine hoeveelheden moleculen met plasmonen worden gedetecteerd.

Robb Walters, een postdoc onderzoeker in de groep van Albert Polman die aan dit project werkte: "je kunt nu voor 30 euro een digitale camera kopen met 4 miljoen pixels op een chip, die  ieder afzonderlijk werken als een sensor voor licht. We hopen dat het met deze technologie op een dag mogelijk is om met een sensorchip met daar op een miljoen plasmon pixels simultaan een miljoen medische testen te doen."

Het artikel "A silicon-based electrical source of surface plasmon polaritons", Robb Walters, Rob van Loon, Ihor Brunets, Jurriaan Schmitz en Albert Polman, verschijnt op 6 december 2009 in de online editie van Nature Materials.

Het onderzoek is uitgevoerd met steun van de Stichting FOM, STW, Nanoned en het Smartmixprogramma Memphis.