Negatieve breking van licht in nieuw metamateriaal
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF en het California Institute of Technology zijn er voor het eerst in geslaagd een materiaal te ontwerpen met een isotrope negatieve brekingsindex voor zichtbaar licht. Het materiaal is opgebouwd uit een raster van minuscule zilveren buisjes die het licht geleiden. Met dit materiaal wordt het nu mogelijk 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 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 elk zijn opgebouwd uit een kern van zilver met een mantel van halfgeleidermateriaal 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' daardoor 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 structuur van de buisjes te variëren 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 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 niet goed toepasbaar is voor zichtbaar licht. Wij hebben een compleet nieuw 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 zicht 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 variëren een 'onzichtbaarheidmantel' worden ontworpen, waarin licht als het ware om een voorwerp wordt gevouwen zodat het voorwerp onzichtbaar wordt. De nieuwe structuur maakt dit alles nu voor het eerst mogelijk met zichtbaar licht.
Het nu gepubliceerde onderzoek is gebaseerd op berekeningen en computersimulaties. De volgende uitdaging is 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 mogelijk is materiaal met deze extreem kleine structuren te maken! Ik heb buisjes van slechts 20 nanometer breed gemaakt en dat is precies wat we nodig hebben."
Het onderzoek maakt deel uit van een onderzoekprogramma naar plasmonen, extreem kleine lichtgolven die zich voortplanten in metalen. Polmans groep publiceerde eerder dit jaar artikelen over het integreren van optica en elektronica op een computerchip (Nature Materials, januari 2010) en het verbeteren van zonnecellen met behulp van plasmonen (Nature Materials, maart 2010).
Referentie
Het artikel "A single-layer wide-angle negative index metamaterial at visible frequencies", S.P. Burgos, R. De Waele, A. Polman and H.A. Atwater, verschijnt op 18 april 2010 in de online editie van Nature Materials.
Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: Albert Polman, telefoon (020) 754 71 00.