Wetenschappers ontrafelen fundamentele wet van energieoverdracht

Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben iets bereikt wat lange tijd onmogelijk werd geacht: ze hebben een fundamentele grens verlegd voor de afstand waarover energie tussen deeltjes kan worden overgedragen zonder dat er straling ‘weglekt’. De bevindingen, die vandaag zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, kunnen technologieën – van kwantumcomputers tot kankerdiagnostiek – ingrijpend veranderen.

Wanneer een molecuul energie opneemt uit licht, warmte of een chemische reactie, raakt het die energie meestal direct weer kwijt — als warmte via trillingen of als een foton, een deeltje licht. Het merendeel van energieoverdracht in natuur en techniek gaat zo verloren.

Een uitzondering is Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET), waarbij energie direct van het ene deeltje naar het andere springt, zonder straling. Fotosynthese in planten is een bekend voorbeeld. Maar FRET werkt alleen op extreem kleine schaal: enkele nanometers.

Onderzoekers van de TU/e — professor Jaime Gómez Rivas, postdoc Jie Ji en promovendus Wouter Holman — hebben dat bereik nu opgerekt tot millimeters. Op moleculaire schaal is dat een enorme sprong: alsof iemand in één beweging van Amsterdam naar Brussel gaat.

Een enorme sprong voorwaarts

Hun doorbraak draait om een fenomeen dat ‘gebonden toestanden in het continuüm’ (BIC’s) heet: elektromagnetische golven die, door een subtiel uitdovend effect, volledig op een oppervlak opgesloten blijven zonder energie uit te stralen. Ze zijn er wel, maar onzichtbaar voor de buitenwereld en blijven uitzonderlijk lang stabiel.

Om dat te benutten, bouwden de onderzoekers een vlak oppervlak van microscopisch kleine gouden staafjes op glas, in een uiterst precies patroon. Energie die op één punt wordt ingebracht, verplaatst zich vervolgens sprongsgewijs via de trillende staafjes naar een detector op twee millimeter afstand — zonder stralingsverlies naar de omgeving.

Opvallend is dat die overdracht sterk richtingsafhankelijk is, bepaald door de oriëntatie van de staafjes: in de ene richting legt de energie moeiteloos de volledige twee millimeter af, terwijl ze in de loodrechte richting al snel uitdooft. Die ingebouwde richtingwerking zou in de toekomst kunnen dienen om energiestromen te sturen, vergelijkbaar met hoe elektrische circuits stroom geleiden.

Een doorbraak voor tientallen toepassingen

De gevolgen van deze ontdekking kunnen een revolutie teweegbrengen in tientallen technologische toepassingen. Directe toepassingen zijn onder meer ultragevoelige sensoren die in staat zijn om afzonderlijke biologische moleculen met ongekende precisie te detecteren. In de geneeskunde betekent dit een vroegere en nauwkeurigere opsporing van ziektemarkers in bloed of weefsel.

Op langere termijn zou de techniek kunnen worden gebruikt om vele moleculen te koppelen tot “supermoleculen” die zich uniform en coherent gedragen — wat mogelijk de manier waarop chemische reacties plaatsvinden verandert, en nieuwe mogelijkheden voor de chemie opent. De onderzoekers wijzen ook op veelbelovende toepassingen in kwantumcommunicatie en zonne-energie.