Licht in zijn achteruit
Sandwich van zilver opmaat voor perfecte lens
- Zoom
- Het metamateriaal met een negatieve brekingsindex bestaat uit dunne laagjes van zilver en een transparant materiaal. Ongeacht de richting waaronder licht invalt (rode pijlen) breekt het onder een tegengestelde hoek als in een normaal materiaal, en lopen de lichtgolven in het metamateriaal achteruit (paarse pijlen).
Fysici werken al een jaar of tien aan metamaterialen die het licht sturen in richtingen waar het normaal niet heen wil. Amsterdamse fysici hebben nu grote stap voorwaarts gezet. In hun materiaal gaat het licht achteruit. Dat maakt het zeer geschikt voor de perfecte lens.
Licht beweegt zich voort met de snelheid van het licht, maar dat is lang niet altijd 300 duizend kilometer per seconde. In lucht, water of glas gaat het licht langzamer, en fysici zijn er al eens in geslaagd het licht stil te zetten.
Amsterdamse natuurkundigen gaan nu nog een stapje verder. Ze hebben een materiaal ontworpen dat het licht in zijn achteruit zet. Nee, denk nu niet dat het licht wordt weerkaatst. De lichtbundel gaat nog steeds vooruit, maar de lichtgolf, met zijn toppen en dalen, beweegt de andere kant op. Net zoals in een oude film, waar een auto vooruit rijdt maar de wielen de andere kant op lijken te draaien.
Snellius
Het Amsterdamse materiaal heeft een negatieve brekingsindex, heet het in fysisch jargon. En dat is heel curieus. Als een lichtbundel van lucht naar water gaat, maakt hij bij de overgang een knik. De brekingsindex is een maat voor de grootte van die knik (volgens de Wet van Snellius). Bij een negatieve index wordt het licht niet zomaar gebroken, maar een compleet andere kant op gestuurd.
Dat gebeurt in gewone materialen nooit – daar is de index altijd positief. Maar natuurkundigen zijn de laatste jaren druk met materialen waar dat wel kan. Deze zogeheten metamaterialen hebben geen bijzondere chemische samenstelling, maar een zeer fijnmazige structuur. Vaak zijn ze opgebouwd uit zeer dunne laagjes of kleine cellen, zo minuscuul dat zelfs het licht zich in bochten moet wringen om zijn weg erdoorheen te vinden.
Harry Potter
Met die metamaterialen zijn ook al succesjes geboekt. Zo komt de onzichtbaarheidsmantel van Harry Potter binnen handbereik. Geen Zweinsteinse tovenarij, maar metamaterialen die het licht omleiden en zo een waarnemer het zicht op Harry ontnemen. Amerikaanse militairen houden dit onderzoek nauwlettend in de gaten.
Het lukt ook al een beetje om golven achteruit te laten bewegen. Maar de successen bleven beperkt tot lange golven buiten het zichtbare gebied, zoals radiogolven. Gewoon, zichtbaar licht wilde soms wel achteruit, maar bleef dan steken in absorberende componenten van het metamateriaal. Als het al eens lukte, dan alleen als het licht onder precies de goede hoek het materiaal binnenkwam.
Natuurkundigen van het AMOLF-instituut in Amsterdam zetten nu in het gerenommeerde Physical Review Letters een grote stap voorwaarts. Zij bedachten een materiaal dat het onder alle omstandigheden doet: onder welke hoek het licht ook invalt, de brekingsindex is altijd negatief en gelijk. ‘Het is een theoretisch model,’ benadrukt Albert Polman, directeur van AMOLF en leider van het onderzoek, ‘maar we zijn ervan overtuigd dat het in de praktijk zal werken als het goed wordt nagebouwd.’
Zilverlaagjes
En ook dat is curieus. Het Amsterdamse metamateriaal is een soort sandwich: ultradunne laagjes (tien nanometer, ofwel tien miljoenste millimeter) zilver, afgewisseld met even dunne laagjes transparant materiaal. ‘Als je tien van die zilverlaagjes stapelt, komt het licht er niet meer doorheen,’ zegt Polman. Maar door tien gescheiden laagjes wel: het licht plant zich niet alleen voort door de transparante lagen, maar kan ook van laag tot laag ‘verspringen’.
De fysici kunnen nu opgaan voor de hoofdprijs in dit vakgebied, de perfecte lens. Tien jaar geleden bedacht de Engelse theoreticus dat zo’n lens gemaakt zou kunnen worden met een metamateriaal met een homogene negatieve brekingsindex. Hoe perfect een lens van gewoon glas ook geslepen is, als het object kleiner is dan de golflengte van het licht, is de afbeelding nooit beter dan een vage vlek. Maar licht dat in zijn achteruit staat, voelt als het ware nog eens extra aan de contouren van zijn object en wordt daardoor ook de allerkleinste details gewaar.
‘Zo ver is het nog niet,’ sust Polman. ‘Eerst moeten we ons sandwichmateriaal zien te maken.’
Joep Engels
Ewold Verhagen e.a.: ‘Three-Dimensional Negative Index of Refraction at Optical Frequencies by Coupling Plasmonic Waveguides’, in Physical Review Letters 105, 223901 (gepubliceerd op 23 november 2010)
