Stap naar onzichtbaarheid

Stap naar onzichtbaarheid
Nieuwe materialen buigen licht de hoek om
noorderlicht.vpro.nl, 11-08-2008
Twee nieuwe materialen met een negatieve brekingsindex worden deze week gepresenteerd in de tijdschriften
Nature en Science. Deze zogeheten ‘metamaterialen’ buigen zichtbaar licht de verkeerde kant op, waardoor ze
in principe gebruikt kunnen worden om voorwerpen aan het zicht te onttrekken.
Steek een potlood in een glas water, en het potlood lijkt te knikken. Die illusie is het gevolg van de brekingsindex van water.
Daardoor verandert de richting waarin het licht zijn weg vervolgt. Twee nieuw ontwikkelde materialen kunnen iets nog veel
gekkers met licht. Ze buigen het zodanig af dat het menselijk oog voorwerpen die gemaakt zijn van deze zogeheten
metamaterialen, in het geheel niet ziet. Die onzichtbaarheidsillusie is te danken aan de negatieve brekingsindex van de nieuw
ontwikkelde materialen.
De stoffen zijn alletwee in het laboratorium van Xiang Zhang aan de Universiteit van California (Berkeley) ontwikkeld, door
twee afzonderlijke onderzoeksgroepen. In het tijdschrift Nature wordt een visnetstructuur beschreven, gemaakt van
afwisselende laagjes zilver en magnesiumfluoride. In Science beschrijft de tweede onderzoeksgroep uit het lab van Zhang een
structuur die bestaat uit zilveren nanodraadjes, ingebed in aluminiumoxide.
Beide structuren hebben een ongebruikelijke, negatieve brekingsindex; alle natuurlijke materialen – water, glas en pindakaas –
hebben een positieve brekingsindex. En levert zo’n positieve brekingsindex al merkwaardige illusies op zoals het geknikte
potlood, een negatieve brekingsindex zorgt voor nog wonderlijker gezichtsbedrog. Een potlood in ‘water’met een negatieve
brekingsindex zal uit het water lijken te springen, en vissen in een vijver met zulk ‘water’zouden erboven lijken te zwemmen in
plaats van er in.
Afbeelding van het 'visnet'-materiaal, gemaakt met een scanning tunneling microscoop.
Normaal gesproken knikt een lichtstraat niet voorbij de gestippelde lijn loodrecht op het grensvlak van beide media, water en lucht
bijvoorbeeld. Bij stoffen met een negatieve brekingsindex knikt een lichtstraal daar wel voorbij, met alle wonderlijke verschijnselen van
dien.
Dit plaatje laat zien hoe het licht wordt afgebogen rond het voorwerp in het midden, de oranje bol. Nadat het licht de bol is gepasseerd,
vervolgt het zijn weg weer alsof er niets gebeurd is.
Maar het meest fascinerende aan de nieuwe metamaterialen is dat ze in staat zijn om licht zodanig af te buigen, dat voorwerpen
die ervan gemaakt zijn, aan het oog worden onttrokken. Licht buigt dan om het voorwerp heen zoals stromend water om een
rotsblok. En omdat het licht niet door het object wordt weerkaatst of geabsorbeerd, zie je het object niet. Dat is niet alleen leuk
voor Harry Potterfans en sciencefiction-liefhebbers, maar ook reuze interessant voor het leger. Niet voor niets wordt het
onderzoek van Zhang en collega’s deels gefinancieerd door de U.S. Army Research Office.
Eerder waren er al tweedimensionale metamaterialen ontwikkeld die zichtbaar licht om een hoekje konden leiden, en ook waren
er al driedimensionale metamaterialen die het trucje met microgolven konden. De twee nieuwe, driedimensionale materialen uit
het lab van Zhang werken in het gebied tussen zichtbaar licht en infrarood. Dat maakt deze metamaterialen voorlopig alleen
geschikt voor toepassingen waarbij infrarood licht wordt gebruikt, zoals in de glasvezelindustrie.
Voor grootschalige toepassingen is het overigens veel te vroeg, temperen de onderzoekers al te hooggespannen
verwachtingen. De materialen zijn erg fragiel, en grootschalige productie ervan is nog lang niet in zicht. De
onzichtbaarheidsmantel van Harry Potter is voorlopig nog niet binnen handbereik, net zo min als de onzichtbare
tank, maar een klein stapje is deze week dan toch gezet.