Πλασμονική: υπερνικώντας το όριο της περίθλασης στη νανοκλίμακα

Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε μια πισίνα, μαζί με άλλο ένα άτομο δύο μέτρα πίσω σας (κορωνοϊός γαρ). Στην άλλη άκρη, ένας παρατηρητής διεγείρει ένα κύμα που κινείται προς το μέρος σας, ένα μικρό κυματάκι που διαδίδεται αργά. Όταν το κύμα σας φτάσει, το νερό θα χτυπήσει πάνω σε εσάς και την παρέα σας και θα αλλάξει πορεία. Από τη διαταραχή της διάδοσης, ο προσεκτικός παρατηρητής μπορεί να εξάγει συμπεράσματα για το είδος των εμποδίων που συνάντησε το κύμα, και τελικά να αντιληφθεί ότι υπήρχαν δύο άνθρωποι με κάποια απόσταση μεταξύ τους. Έστω τώρα ότι αντί για τον ήπιο κυματισμό μιας πισίνας, βρίσκεστε (πάντα με την παρέα σας σε απόσταση δύο μέτρων) στη θάλασσα, εν μέσω ενός τσουνάμι. Πέρα από τα πρακτικά προβλήματα (επιβίωση), είναι μάλλον σαφές ότι ένα τόσο μεγάλο κύμα δεν μπορεί να διακρίνει ανάμεσα σε δύο μικρά άτομα σε τόσο κοντινή απόσταση.

Το παραπάνω παράδειγμα μεταφέρεται σε κάθε περιοχή της κυματικής, και ιδιαίτερα στην οπτική. Συγκρίνοντας τα δύο κύματα, ίσως υποθέσει κανείς ότι σημασία έχει το πλάτος του κύματος, αλλά στην πραγματικότητα είναι το μήκος κύματος αυτό που καθορίζει τη διακριτική ικανότητα του συστήματος. Στην οπτική, αυτός ο περιορισμός είναι τόσο θεμελιώδους σημασίας, που έχει το δικό του όνομα, όριο της περίθλασης, όπως διατυπώθηκε από τον Ερνστ Αμπέ, φυσικό και συνιδιοκτήτη της μεγάλης εταιρείας μικροσκόπιων Zeiss. Η εξίσωση που κοσμεί το μνημείο προς τιμήν του στη Γένα της Γερμανίας (Εικόνα 1), λέει ότι η ελάχιστη διακρίσιμη απόσταση είναι ανάλογη του μήκους κύματος της ακτινοβολίας, και αντιστρόφως ανάλογη του αριθμητικού ανοίγματος του φακού. Στην πράξη, όσο και αν βελτιώσω τους φακούς μου, η ίδια η ακτινοβολία που χρησιμοποιώ καθορίζει τι λεπτομέρειες μπορώ να διακρίνω. Για ορατό φως, με μήκος κύματος ~500 nm, η ελάχιστη διακρίσιμη απόσταση είναι της τάξης των 250 nm. Αλλά οι ιοί ή οι πρωτεΐνες που ενδιαφέρουν τους βιολόγους, έχουν μεγέθη λίγων nm. Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ακτινοβολία μικρότερου μήκους κύματος (πχ ακτίνες Χ), αλλά υπάρχει κίνδυνος να καταστρέψουμε το δείγμα. Πρέπει λοιπόν να βρούμε έναν τρόπο να συγκεντρώσουμε και να αναλύσουμε το ορατό φως στη νανοκλίμακα.

Το πώς μπορούμε να βελτιώσουμε τη διακριτική μας ικανότητα, θα το δούμε σε επόμενο άρθρο. Ας δούμε πρώτα πώς μπορούμε να φτιάξουμε κεραίες (σαν αυτά τα άσχημα μεταλλικά αντικείμενα στις ταράτσες) που εστιάζουν και κατευθύνουν το φως στη νανοκλίμακα, μέσω της πλασμονικής [1]. Η θεμελιώδης ιδέα είναι η δυνατότητα οπτικής διέγερσης συλλογικών ταλαντώσεων των ελεύθερων ηλεκτρονίων ενός μετάλλου [2]. Η σχέση διασποράς μιας τέτοιας διέγερσης φαίνεται στην Εικόνα 2: σε μια χαρακτηριστική συχνότητα, ο κυματάριθμος απειρίζεται που σημαίνει μηδενικό μήκος κύματος, άπειρο εντοπισμό του κύματος. Στην πράξη, βέβαια, οι απώλειες (πχ λόγω κρούσεων των ηλεκτρονίων με τα ιόντα του μετάλλου ή μεταξύ τους) περιορίζουν αυτόν τον εντοπισμό. 

Παρότι αυτή η φυσική συμπεριφορά είναι γνωστή εδώ και πάνω από μισό αιώνα, η άνθηση της πλασμονικής πυροδοτήθηκε από τις ραγδαίες εξελίξεις στη νανοτεχνολογία, που επιτρέπουν την ελεγχόμενη και ακριβή σύνθεση μεταλλικών σωματιδίων νανοσκοπικών διαστάσεων. Σε αυτή την περίπτωση, το προσπίπτον φως διεγείρει μια εξαναγκασμένη ταλάντωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο μέταλλο, δημιουργώντας ηλεκτρικά δίπολα που ταλαντώνονται σαν τρελά υπό την επίδραση του εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Έχουμε λοιπόν οπτικούς συντονισμούς, και ισχυρή ενίσχυση του πεδίου και εντοπισμό του γύρω από το σωματίδιο, σε διαστάσεις λίγων νανομέτρων, υπερνικώντας έτσι το όριο της περίθλασης (Εικόνα 2). Η επίτευξη αυτού του εντοπισμού, σε συνδυασμό με την ανάπτυξη τεχνικών μικροσκοπίας κοντινού πεδίου, που επίσης επιτρέπουν την παρατήρηση αντικειμένων με διαστάσεις πολύ μικρότερες από το μήκος κύματος, έδωσε το έναυσμα για μια έντονη, συνεχιζόμενη ερευνητική δραστηριότητα, τόσο σε καθαρά θεωρητικό επίπεδο, όσο και στο χώρο των εφαρμογών, όπου έχει προταθεί και παρουσιαστεί πληθώρα χρήσεων, από τις τηλεπικοινωνίες και την κβαντική οπτική μέχρι τη χημεία, την κατάλυση και την ιατρική.

Πηγές:

[1] U. Hohenester, Nano and Quantum Optics: An Introduction to Basic Principles and Theory (Springer, Cham, 2020). 

[2] L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics (Cambridge University Press, Cambridge, 2006).