Metamaterialen – Manipulators van Licht

Metamateriaal pictogramafbeelding

Metamaterialen hebben een structuur die straling op schijnbaar “onmogelijke” manieren kan breken.

imagenavi, Getty-afbeeldingen

Op het eerste gezicht zien de meeste metamaterialen er weinig spectaculair uit. Omdat ze met het blote oog lijken op gewone kristallen of gladde oppervlakken. Ook hun samenstelling hoeft niet exotisch te zijn: sommige zijn van metaal, andere van silicium of zelfs plastic. Niettemin zorgen ze ervoor dat licht en andere elektromagnetische straling zich op schijnbaar onmogelijke manieren gedragen.

Onmogelijke breking

Sommige metamaterialen kunnen bijvoorbeeld de richting, fase en polarisatie van een lichtstraal veranderen op een manier die het licht effectief in de achteruitversnelling dwingt. De bundel wordt op precies de tegenovergestelde manier door het materiaal gebroken dan bij een normaal materiaal gebruikelijk is. Dit leidt tot het paradoxale effect dat een concave convergerende lens van dit metamateriaal het licht niet focust, maar verstrooit. Omgekeerd zou een diffuse lens het licht bundelen – fysieke wetten lijken op hun kop te staan.

Dit paradoxale effect is mogelijk omdat dergelijke metametamaterialen een negatieve brekingsindex hebben. Hierdoor wordt de straling bij binnenkomst in dit materiaal niet naar de loodlijn afgebogen, maar in de tegenovergestelde richting. De Russische natuurkundige Viktor Veselago voorspelde in 1968 dat dergelijke materialen zouden kunnen bestaan ​​en produceerbaar zijn. Omdat negatieve brekingsindices echter niet in de natuur voorkomen, werd lang gedacht dat dit onmogelijk was. Ondertussen hebben wetenschappers echter talloze verschillende metamaterialen ontwikkeld.

Lenzen, transformatoren en hologrammen

Het vermogen van metamaterialen om straling, en vooral licht, te manipuleren op manieren die voorheen voor onmogelijk werden gehouden, opent geheel nieuwe toepassingsmogelijkheden. Vooral in de optica worden deze materialen nu gebruikt om nieuwe soorten lenzen en displays voor camera’s, microscopen en 3D-projecties te ontwikkelen. Amerikaanse onderzoekers ontwikkelden onlangs een cameralens van metamateriaal die slechts een halve millimeter groot is, maar kan gelijke tred houden met een klassieke cameralens die 500.000 keer groter is in resolutie en lichtintensiteit.

Sommige metaallenzen kunnen ook als een soort lichttransformator fungeren: ze zetten laagenergetische langgolvige straling om in kortgolvige straling – iets wat eigenlijk onmogelijk is zonder energievoorziening. Dit wordt mogelijk gemaakt door een resonantie-effect dat de frequentie van de straling verdubbelt. En met speciale metamaterialen kunnen ook hologrammen en hologramvideo’s worden gemaakt.

Het hangt allemaal af van de structuur

Maar wat is het geheim van deze vaardigheden? Het hoogtepunt van de metamaterialen is hun structuur: ze hebben kleine, zich herhalende basiseenheden die de transmissie van licht en andere straling beïnvloeden op dezelfde manier als een normaal kristal. Door de kleine omvang en speciale vorm van deze entiteiten kunnen de metamaterialen de straling echter op fysiek ongebruikelijke manieren manipuleren.

Hoe groot de structuur van een metamateriaal kan zijn, hangt af van de golflengte van de straling: De exotische breking treedt alleen op als de herhalende basiseenheden kleiner zijn dan een kwart golflengte van de invallende straling. Dit betekent dat als het metamateriaal langgolvige straling zoals radar- of radiogolven moet manipuleren, de cellen enkele centimeters groot kunnen zijn. Bij zichtbaar licht bewegen ze daarentegen in het nanometerbereik.

Metalen lens voor radiogolven

Vakmanschap uit het laboratorium: deze radiogolf-metalen lens bestaat uit 4.000 S-vormige koperen haken.

Het materiaal: van silicium tot koper

Waar een metamateriaal uit bestaat en hoe de structuur is, kan ook heel verschillend zijn. Sommige van deze constructies bestaan ​​uit kleine buisjes, bloedplaatjes of pilaren die zijn ingebed in siliciumchips. Een regelmatige opstelling van sleuven of gaten of een structuur die lijkt op kleine gestapelde boomstammen kan ook metamateriaal worden. Andere varianten dragen kleine pilaren van metaal of metaalverbindingen op hun oppervlak, waarvan de geometrie en afstand de exotische effecten van breking produceren.

Een metamateriaallens die onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) gebruiken om radiogolven te manipuleren, is bijna een kunstwerk: het platte, holle constructie bestaat uit meer dan 4.000 S-vormige koperen haken, elk slechts enkele millimeters groot. Deze basiseenheden zijn zo aan elkaar gehaakt dat ze een lens vormen van vier centimeter dik en 25 centimeter breed die transparant is voor microgolf- en radiogolven. Dankzij de negatieve brekingsindex kan dit maliënkolderachtige metamateriaal de straling net zo veel breken en focussen als stralen die slechts meters lang zijn.

Metamateriaal als Tarnmantel

Metamaterialen kunnen zelfs de oude droom van de onzichtbaarheidsmantel of onzichtbaarheidsmantel werkelijkheid maken. In beperkte mate werkt het onzichtbaar maken van mensen al: wetenschappers hebben onzichtbaarheidsmantels ontwikkeld voor microgolven, infrarood licht en zelfs individuele gebieden van zichtbaar licht. Ze zijn echter vrij onhandelbaar en kunnen alleen objecten verbergen die veel kleiner zijn dan zijzelf. “Ze lijken meer op de schubben van Harry Potter dan op de mantel van Harry Potter”, legt John Pendry van Imperial College London uit.

Camouflage jas pictogramafbeelding

Het ultradunne metamateriaal van een camouflagemantel ontwikkeld aan de University of California, Berkeley, is bedekt met gouden blokken die het invallende licht manipuleren.

Xiang Zhang-groep / UC Berkeley

Maar een echte Harry Potter-camouflagemantel komt langzaam dichterbij: in 2015 presenteerden onderzoekers van de University of California in Berkeley voor het eerst een metamateriaal dat extreem dun is en zelfs grotere, onregelmatig gevormde objecten kan verbergen. Het nieuwe “camouflagedoek” bestaat uit een metamateriaal van slechts 80 nanometer dik dat zich als een dunne huid aan onderliggende objecten kan hechten. Op het oppervlak zit een nanostructuur van kleine goudblokjes, die het invallende licht zo manipuleert dat onvolkomenheden worden verhuld.

Echter: tot nu toe werkt de camouflage van deze meta-mantel alleen voor een bepaalde golflengte van licht – in dit geval rood licht met een golflengte van 730 nanometer. Het zal daarom waarschijnlijk nog lang duren voordat er metamaterialen zijn die een object of persoon onzichtbaar kunnen maken in het gehele golflengtebereik van licht.

Leave a Reply

Your email address will not be published.