Stichting FOM
24 november 2010, 2010/42
Sandwich van zilver zet licht in zijn achteruit
Drie-dimensionale metamaterialen tonen negatieve brekingsindex
Figuur 1. Metamateriaal met een negatieve brekingsindex
vergroten Figuur 1. Metamateriaal met een negatieve brekingsindex
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).
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben een nieuw soort
materiaal ontworpen waarin lichtgolven achteruit lopen. In vakjargon:
het heeft een negatieve brekingsindex. De onderzoekers ontrafelden het
gedrag van licht in een materiaal bestaande uit een 'sandwich', een
stapeling van ultradunne (tientallen nanometers) laagjes zilver
afgewisseld met een transparant materiaal. Het materiaal zet zichtbaar
licht 'in zijn achteruit', ongeacht vanuit welke richting het
binnenvalt. Met deze doorbraak komt een perfecte lens voor zichtbaar
licht een stap dichterbij. De onderzoekers publiceerden hun resultaten
op 23 november in het vooraanstaande tijdschrift Physical Review
Letters.
Het materiaal ontleent zijn bijzondere eigenschappen aan het feit dat
het gestructureerd is op een kleinere schaal dan de golflengte van
licht. Zulke materialen worden 'metamaterialen' genoemd. In natuurlijke
materialen is de brekingsindex, die gerelateerd is aan de lichtsnelheid
in het materiaal, altijd positief. Maar slim ontworpen metamaterialen
kunnen een negatieve brekingsindex hebben. In die materialen is de
lichtsnelheid negatief, wat betekent dat een lichtgolf als het ware
achteruit loopt: de pieken en dalen van de golf bewegen naar een
lichtbron toe in plaats van er vandaan. Dat betekent niet dat licht
niet door het materiaal heen kan schijnen, want de energie van het
licht stroomt tegengesteld aan de golfrichting; vooruit in de normale
richting dus. Door deze opmerkelijke eigenschap breekt een lichtbundel
die op het metamateriaal valt in tegengestelde richting dan in een
normaal materiaal, zoals water of glas.
Deze materialen zouden tot spectaculaire toepassingen kunnen leiden: zo
bedacht de Engelse theoretisch fysicus John Pendry in 2000 dat van een
materiaal met een negatieve index een 'perfecte lens' gemaakt kan
worden, die in tegenstelling tot een gewone lens zelfs de kleinste
details van een object kan afbeelden - kleiner dan de golflengte.
Sindsdien zijn wetenschappers naarstig op zoek naar geschikte
metamaterialen. Dat lukt aardig voor elektromagnetische golven met
lange golflengtes, zoals radiogolven en microgolven. Maar voor
zichtbaar licht is het veel lastiger: het is moeilijk om materialen op
de benodigde schaal van nanometers een geschikte structuur te geven, en
de voorgestelde ontwerpen absorberen meestal het grootste deel van het
licht. Bovendien hebben ze hun bijzondere eigenschappen alleen wanneer
licht er vanuit één bepaalde richting op valt. Pendry is een van de
keynote speakers op het jaarlijkse congres Physics@FOM Veldhoven, dat
in 2011 op 18 en 19 januari plaatsvindt.
AMOLF-onderzoeker dr. Ewold Verhagen en zijn collega's beschrijven de
werking van een nieuwe klasse metamaterialen, die juist het best werken
voor zichtbaar licht. Ze zijn gebaseerd op gestapelde laagjes van
afwisselend metaal en transparant materiaal, en hebben daarmee een
verrassend eenvoudige structuur. Lichtgolven kunnen zich door de
laagjes voortplanten, maar ook van laag naar laag 'overspringen'. Op
die manier kan licht zich in alle drie dimensies door het metamateriaal
bewegen. De wetenschappers laten zien dat door de laagjes de juiste
diktes te geven (van enkele tientallen nanometers) de brekingsindex van
het metamateriaal negatief is, en in alle richtingen hetzelfde.
Bovendien is absorptie in het metamateriaal een minder groot probleem
dan met een alternatieve aanpak. Deze nieuwe metamaterialen brengen
toepassing van negatieve brekingsindex, bijvoorbeeld voor microscopie
of lithografie, in zicht. Verhagen kreeg voor zijn onderzoek zowel de
FOM Natuurkunde Proefschrift Prijs 2010 als de FOM Valorisatiehoofdstuk
Prijs 2010.
Referentie
'Three-dimensional negative index of refraction at optical frequencies
by coupling plasmonic waveguides', Ewold Verhagen, René de Waele, Kobus
Kuipers and Albert Polman, Physical Review Letters 105, 223901 (2010).
Contact
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Dr. Ewold Verhagen, École Polytechnique Fédérale de Lausanne,
Zwitserland, telefoon +41 21 693 05 59/+41 76 225 73 25.
Prof. dr. Albert Polman, FOM-instituut AMOLF, Amsterdam, telefoon +31
(0)20 754 71 00.