Natuurwet blijkt toch een komma te hebben

Detail van de detectiepen uit het onderzoek, tien keer vergroot met een optische ('gewone') microscoop. In werkelijkheid is de pen slechts enkele honderden micrometers lang. Honderd micrometer is 0,1 millimeter. Foto: Jie Ji

In de microscopisch kleine wereld waarin dit onderzoek plaatsvindt, is dat een reuzensprong, met veelbelovende toepassingen voor quantumcommunicatie, zonne-energie en ultragevoelige medische sensoren. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Normaal gesproken raakt een molecuul dat energie heeft opgenomen die energie kwijt als warmte, via trillingen die worden doorgegeven aan de omgeving of als een lichtdeeltje (foton). Bij Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET, naar de Duitse natuurkundige Theodor Förster) gebeurt iets anders: de energie springt rechtstreeks en zonder straling van het ene molecuul naar een specifiek buurmolecuul, via een onzichtbare wisselwerking tussen hun elektrische velden.

Bij deze bijzondere vorm van energieoverdracht gaat er geen energie verloren als warmte of licht, maar komt alle energie precies aan waar ze moet zijn. Het bekendste voorbeeld is fotosynthese bij planten. Dankzij FRET kunnen zij het zonlicht dat ze opvangen razendsnel en zonder energieverlies verplaatsen naar de cellen waar ze het omzetten in voedsel.

Wetenschappers hebben FRET ook leren inzetten als precisie-instrument. Omdat het effect alleen over heel korte afstanden werkt, kun je aan de hand van de vraag óf het optreedt bepalen hoe dicht twee moleculen bij elkaar zijn. Handig om bijvoorbeeld eiwitten te bestuderen of ziektemarkers in bloed of weefsel op te sporen.

Maar er zit één serieuze beperking aan FRET. Het werkt alleen over heel kleine afstanden van ruwweg enkele nanometers, zo’n tienduizend keer dunner dan een mensenhaar. In hun onderzoek wisten hoogleraar Jaime Gómez Rivas, postdoc Jie Ji en afstudeerder Wouter Holman deze effectieve reikwijdte te vergroten tot een afstand van maar liefst enkele millimeters.

Energie van de ene naar de andere kant
De aanpak van het team is gebaseerd op een verschijnsel dat in de natuurkunde bekendstaat als bound states in the continuum (BICs), vrij vertaald ‘gebonden toestanden in het continuüm’. Dit zijn elektromagnetische golven die, door een precies uitdovingseffect, volledig op een oppervlak gevangen blijven en geen energie naar buiten uitstralen. Ze zijn aanwezig, maar onzichtbaar voor de buitenwereld en blijven uitzonderlijk lang intact.

Om hier gebruik van te maken, bouwden de onderzoekers een vlak oppervlak van microscopisch kleine goudstaafjes op glas, in een nauwkeurig gerangschikt patroon. Wanneer een van hun speciaal gebouwde meetpennen dit oppervlak op de juiste frequentie aanraakte, wekte dat een BIC-toestand op die energie stralingsloos transporteerde naar een detectiepen twee millimeter verderop.

Geen energie gemorst
Dit transport vindt plaats via resonanties (trillingen) in de goudstaven. Normaal gesproken stralen resonanties fotonen (lichtdeeltjes) uit naar de buitenwereld, waardoor energieoverdracht inefficiënt wordt. Door gebruik te maken van BICs blijft de energie echter volledig aan het oppervlak gebonden, wat de energieoverdracht juist zeer efficiënt maakt. Precies zoals bij FRET dus, maar over een afstand waarvan men dacht dat zoiets niet kon.

Opvallend is ook dat de overdracht sterk richtingsafhankelijk is en nauwkeurig wordt bepaald door de oriëntatie van de goudstaafjes: langs één richting reist de energie moeiteloos over de volle twee millimeter, terwijl ze in de richting loodrecht daarop al na een fractie daarvan wegvalt. Die ingebouwde voorkeur voor één richting zouden toekomstige apparaten kunnen benutten om energie gericht te sturen, zoals een stroomcircuit dat elektriciteit in één richting leidt.

Aangeslagen toestand
Wat de uitkomst verder bijzonder interessant maakt, is niet alleen de afstand, maar ook dat de overdracht plaatsvindt op een vlak oppervlak bij kamertemperatuur, zonder optische golfgeleiders, glasvezels of cryogene koeling.

De informatie die wordt gedragen door de aangeslagen toestand (de ‘excitatie’, de hogere energietoestand) blijft onderweg intact, terwijl die van het ene goudstaafje naar het volgende springt. Daarmee laat het onderzoek zien dat coherente overdracht ook mogelijk is in dit soort oppervlaktes.

En hoe verder?
Het experiment van deze sterk vergrote energieoverdracht met resonante goudstaafjes laat zien dat elektromagnetische golven aan het oppervlak kunnen worden opgesloten. Dit kan direct worden toegepast in uiterst gevoelige sensoren om afzonderlijke (bio)moleculen met ongekende precisie te detecteren.

Op de langere termijn zou het niet alleen mogelijk moeten zijn om twee moleculen die ver uit elkaar liggen met elkaar te koppelen. Ook veel grotere groepen zouden aan elkaar kunnen worden verbonden. Zo kunnen ‘supermoleculen’ ontstaan die zich hetzelfde (coherent) gedragen. Deze coherente supermoleculen zouden de manier waarop chemische reacties verlopen, kunnen veranderen. Daarmee ontstaat een nieuw speelveld voor de chemie. De resultaten van het onderzoek brengen bovendien veelbelovende toepassingen in quantumcommunicatie, zonne-energie en medische sensoren een stap dichterbij.