| Negatieve breking van licht in nieuw metamateriaal |
|
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF en het California Institute of Technology zijn erin geslaagd voor het eerst een materiaal te ontwerpen met een negatieve brekingsindex voor zichtbaar licht. Het materiaal is opgebouwd uit een raster van minuscule zilveren buisjes die het licht geleiden. Met dit materiaal is het voor het eerst mogelijk om zichtbaar licht de “verkeerde” kant op te laten buigen en de lichtgolven achteruit te laten lopen. Ook wordt het mogelijk om voorwerpen onzichtbaar te maken voor zichtbaar licht. De onderzoekers publiceren hun werk op 18 april in het toonaangevende tijdschrift Nature Materials. De voortplanting van licht in een materiaal wordt beschreven door de brekingsindex, een getal dat meestal ligt tussen 1 (lucht) en 1.5 (glas). De brekingsindex bepaalt de snelheid van het licht en tevens hoe licht breekt aan een grensvlak tussen materialen: hoe hoger de index, hoe sterker de breking. De laatste jaren hebben natuurkundigen zich gericht op de vraag of de brekingsindex ook negatief kan worden. Dan zou het licht als het ware achteruit bewegen, en bij een grensvlak zou het de ‘verkeerde’ kant op breken. Het nieuwe materiaal laat dat nu voor het eerst voor zichtbaar licht zien. De onderzoekers bestudeerden de voortplanting van licht in een materiaal dat is opgebouwd uit een bundel van minuscule buisjes die zijn opgebouwd uit een kern van zilver met een mantel van glas die weer omhuld is door zilver; een soort coaxkabels voor licht. Het geheim van het nieuwe materiaal is dat de afmeting van de buisjes veel kleiner is dan de golflengte van het licht. Het licht ´´ziet´´ als het ware een bundel van buisjes, die ieder een klein deel van het licht geleiden. Het netto effect is dat de brekingsindex negatief is. Door de afstand tussen de buisjes te varieren kan de brekingsindex zelfs worden gevarieerd tussen +10 en -10. Wereldwijd zijn onderzoekers op zoek naar materialen met een negatieve brekingsindex. Omdat deze materialen in de natuur niet voorkomen worden zogenaamde “metamaterialen” gemaakt, materialen waarvan de optische eigenschappen worden bepaald door de structuur van het materiaal, en niet door de atomen waaruit het is opgebouwd. Een een aantal jaren geleden is het voor het eerst gelukt een metamateriaal te maken met een negatieve brekingsindex voor microgolven, en recent ook voor infrarood licht. De uitdaging was echter om het voor zichtbaar licht te doen, omdat daar de belangrijkste toepassingen worden voorzien. Albert Polman, de leider van het Amsterdamse team: “Al het onderzoek tot nu toe richtte zich op resonante structuren: kleine ringetjes die het licht een korte tijd opsluiten en zo netto een negatieve brekingsindex veroorzaken. Het was echter duidelijk dat dit principe nooit zou kunnen werken voor zichtbaar licht, omdat de vereiste ringetjes zo klein zijn dat ze in werkelijkheid met geen enkele techniek kunnen worden gemaakt. Wij hebben een compleet nieuwe ontwerp gemaakt, waarin we smalle metalen lichtgeleiders aan elkaar koppelen. In deze structuren is de voortplanting van licht gebaseerd op een totaal ander principe, en interessant genoeg werkt het juist extra goed voor zichtbaar licht.” De nieuwe structuur biedt perspectief op allerlei bijzondere toepassingen. Zo voorspelde de Britse natuurkundige John Pendry in 2000 dat met een brekingsindex van -1 een “perfecte lens” kan worden gemaakt waarmee extreem scherpe afbeeldingen kunnen worden gemaakt. Ook kan door de brekingsindex in een materiaal van plek tot plek te varieren een “onzichtbaarheidmantel”worden ontworpen, waarin licht als het ware om een voorwerp wordt gevouwen zodat het voorwerp onzichtbaar wordt. Met de nieuwe structuur wordt dit alles nu voor het eerst mogelijk met zichtbaar licht. Het nu gepubliceerde onderzoek is gebaseerd op berekeningen en computersimulaties. De volgende uitdaging is om deze materialen ook werkelijk te maken. René de Waele, die als promovendus aan het ontwerp van het nieuwe metamateriaal werkte: ``Mijn eerste experimenten in de cleanroom laten zien dat het echt mogelijk is deze extreem kleine structuren te maken. Ik heb buisjes gemaakt die maar 20 nanometer breed zijn en dat is precies wat we nodig hebben”. Het onderzoek maakt deel uit van een onderzoekprogramma naar “plasmonen”, extreeem kleine lichtgolven die zich voortplanten in metalen. Polman’s groep publiceerde eerder dit jaar artikelen over het integreren van optica en electronica op een computerchip (Nature Materials, januari 2010) en het verbeteren van zonnecellen met behulp van plasmonen (Nature Materials, maart 2010). Referentie Het onderzoek werd gesteund door de Stichting FOM en NanoNed. Figuurbijschriften:
(b) Ter vergelijking: “normale” breking van licht.
(c) Schematische weergave van het metamateriaal: in een dunne zilverfilm is een netwerk van cylinders met een diameter van 100 nm aangebracht. De kanaaltjes zijn 20 nm breed.
© AMOLF/Tremani |
