In veel historische glas-in-lood ramen wordt de kleur gevormd door metalen nanodeeltjes zoals goud, zilver en koper. Die deeltjes zetten zich vast tijdens het bakken in het glas. Ze hebben veel interacties met zichtbaar licht. Hun elektronen gaan als een collectief bewegen en absorberen en verstrooien selectief bepaalde kleuren. Dat noem je plasmonresonantie. Zo produceren kleine beetjes metaal een rijke, stabiele kleur zonder verf.
Hoe krijgt de Romeinse Lycurgusbeker zijn kleuren
Zilverkleuring is een klassiek voorbeeld van die plasmonresonantie. Tijdens het bakken van het glas verspreidt zilver zich in het oppervlak. De kleine zilverdeeltjes geven het glas een dunne gele laag. Maar wil je het pronkstuk zien, kijk dan eens naar de Romeinse Lycurgusbeker. Deze lijkt olijfgroen in gereflecteerd licht, maar als je er vanaf de achterkant licht doorschijnt kleurt hij donkerrood.
Dat effect heet dichroïsme genoemd. Door het glas zitten kleine deeltjes goud en zilver gemengd. Wanneer licht door die deeltjes wordt gereflecteerd, verstrooien ze vooral groen licht terug naar je ogen. Als licht door het glas gaat, absorberen ze sommige kleuren en laten ze in plaats daarvan rood licht door. Het resultaat is een object met twee kleuren. Het hangt allemaal af van hoe het licht op het glas schijnt. Bijna magisch.
Waarom deze oude glastruc nu belangrijk is
Hetzelfde principe gebruikens onderzoekers nu nog voor sensoren, microscopen, datalinks en fotonische chips. We vervormen licht niet alleen maar voor de mooie kleuren, maar ook voor prestaties. Volgens Sahoo is het controleren van licht op nanoschaal essentieel voor het detecteren van zwakke signalen, het doorsturen van informatie via chips en het bouwen van hardware die kan voldoen aan de eisen (en spanningen) van een sterk genetwerkte wereld.
Aan de Universiteit Twente is dit geen metafoor, maar een belangrijk onderdeel van het onderzoeksveld. In en rond het MESA+ Instituut ontwerpen ingenieurs materialen die licht geleiden en controleren. De groep Complex Photonic Systems (COPS) onderzoekt hoe structuur en, in sommige gevallen, gecontroleerde wanorde van invloed zijn op de manier waarop licht zich daar doorheen voortplant.
Ze werken aan fotonische 'bandgapy crystals', diffusie van licht en Anderson-lokalisatie. In plaats van kleur in een glasplaat op te sluiten, is het doel om de voortplanting en emissie in complexe materialen te vormen, met een mate van controle die je niet kunt krijgen met bulkoptica.
Licht beheersen: van nanoholtes tot chips
Op het gebied van interactie op nanoschaal werkt het Dynamic Nanophotonics (DNP)-team met plasmonische nanoholtes. Deze structuren persen licht samen tot minuscule 'hotspots'. Hierdoor is het mogelijk om zeer kleine signalen te detecteren, bijvoorbeeld van afzonderlijke moleculen. Het onderzoek helpt wetenschappers bij het bestuderen van biomoleculaire processen die normaal gesproken te zwak zijn om waar te nemen.
Dan is er nog de vertaling naar chipniveau. Het MESA+ Integrated Photonics-programma ontwikkelt fotonische chips gemaakt van materialen zoals siliciumnitride (SiN) en aluminiumoxide (Al₂O₃). Het richt zich op toepassingen variërend van communicatie en sensoren tot fotonica voor beveiliging. Dit werk houdt rechtstreeks verband met het onderzoek van Himadri Sahoo. Zij ontwikkelt fotonische chips van de volgende generatie voor kwantumveilige toepassingen. Van middeleeuwse ramen tot nanofotonische chips, het idee is hetzelfde: kleine structuren kunnen het gedrag van licht beïnvloeden.
