Magneetveld licht drijft nano-magneetjes aan
Een team van wetenschappers bij het FOM-instituut AMOLF is er voor het eerst in geslaagd om met het magnetisch veld van licht energie-overdracht tussen nano-elektromagneetjes aan te drijven. Deze doorbraak is van groot belang in de zoektocht naar magnetische 'metamaterialen' waarmee lichtstralen in alle mogelijke richtingen afgebogen kunnen worden. Hiermee zou het mogelijk zijn perfecte lenzen te maken en op termijn zelfs 'onzichtbaarheidsmantels'. De AMOLF onderzoekers Ivana Sersic, Martin Frimmer, Ewold Verhagen en Vidi-laureaat en groepsleider Femius Koenderink publiceerden hun resultaten in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.
De kunstmatige 'metamaterialen' die de onderzoekers bestudeerd hebben, bestaan uit hele kleine U-vormige ‘nanoringen’ van metaal. Het elektromagnetische veld van licht drijft ladingen heen en weer, en veroorzaakt daardoor een wisselstroom in elk U-tje. De kleine opening aan de bovenzijde van de ring zorgt er voor dat de stroom bij de frequenties van licht gaat rondzingen. Op deze manier is elke ring een klein maar sterk elektromagneetje waarvan de noord- en zuidpool 500 biljoen keer per seconde omkeert.
Zeer sterke interactie
Door te meten hoeveel licht er door een dicht rooster van deze elektromagneetjes heen komt, deden de onderzoekers een belangrijke ontdekking. Het blijkt dat, als de kringstroompjes in gang zijn gezet door licht, de magneetjes elkaar ook beïnvloeden en kunnen aandrijven.
De onderzoekers tonen ook voor het eerst aan dat de interactie met het magneetveld van licht in deze nieuwe materialen zeer sterk is; net zo sterk als de interactie met het elektrisch veld in de beste 'klassieke' optische materialen. Met dit verbeterde begrip van de nanomagneetjes en hun interactie met licht hebben de onderzoekers alle ingrediënten in handen om licht in willekeurige banen te leiden.
Snelle magneetvelden
Staafmagneten kennen we allemaal: het zijn zogenaamde 'dipolen' met een noordpool en een zuidpool, die de neiging hebben om elkaars tegenpolen aan te trekken, en gelijksoortige polen af te stoten. Ook weten we dat magneten zich, zoals een kompas, richten langs een magneetveld. Op deze manier kun je met magneetvelden magneten manipuleren, en andersom kun je met behulp van magneten controle uitoefenen over magneetvelden. Deze alledaagse intuïtie werkt bijzonder goed voor langzaam veranderende magneetvelden, maar niet voor zeer snel veranderende magneetvelden.
Handicap voor optica
Licht is een elektromagnetische golf die bestaat uit een zeer snel op- en neergaand elektrisch veld en een bijhorend magneetveld. In principe kun je elektromagnetische golven naar believen sturen door zowel het elektrisch veld als het magneetveld van licht te manipuleren. Maar bij de heel hoge frequenties van licht (500 THz, 500 biljoen trillingen per seconde) reageren atomen nauwelijks op magneetvelden. Hierdoor hebben normale materialen alleen controle over het elektrisch veld van licht, niet op het magneetveld. Dit betekent dat normale optica (lenzen, spiegels en glasfibers) moet werken met een handicap. Maar met de kunstmatige 'metamaterialen' in deze controle dus wel mogelijk.
Voor zijn baanbrekende onderzoek ontving Femius Koenderink in 2006 een Veni uit de Vernieuwingsimpuls van NWO. Op dinsdag 24 november maakte NWO bekend dat hij nu ook een Vidi in de wacht heeft gesleept.
Meer informatie
Femius Koenderink, tel. (020) 754 71 89.
Referentie
Electric and magnetic dipole coupling in near-infrared split-ring metamaterial arrays, I. Sersic, M. Frimmer, E. Verhagen en A.F. Koenderink.
Per 20 november 2009 online, Physical Review Letters 103, 213902 (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.213902)