211service.com
Onzichtbaarheid gemakkelijker gemaakt
Het afgelopen jaar gonsden de media van de geruchten over een exotische klasse van materialen, metamaterialen genaamd, die zouden kunnen worden gebruikt om platte en vervormingsvrije lenzen, krachtige microscopen en zelfs verhulapparaten te maken die objecten onzichtbaar maken. Maar versies van de materialen die geschikt zijn voor praktische toepassingen waren moeilijk te maken. Nu hebben onderzoekers van Princeton University metamaterialen gedemonstreerd die zowel beter presteren als veel gemakkelijker te produceren zijn, waardoor deze toepassingen misschien dichter bij de realiteit komen.
Buigen licht: Een nieuw type materiaal zorgt ervoor dat lichtgolven (voorgesteld door ovalen) op een manier bewegen die totaal anders is dan de manier waarop ze in gewone materialen bewegen.
Het is best een belangrijke stap, zegt Igor Smolyaninov , een onderzoeker aan de Universiteit van Maryland die met metamaterialen werkt. Het is veel minder duur dan al het andere dat mensen doen.
Licht dat van het ene gewone materiaal naar het andere gaat, buigt een beetje - denk aan hoe een rechte stok in water er gebogen uitziet - maar licht dat in een metamateriaal valt, buigt in de tegenovergestelde richting. Metamaterialen hebben dus een zogenaamde negatieve brekingsindex. Een lens die van zo'n materiaal is gemaakt, hoeft niet gekromd te zijn. (Het is de kromming van een gewone lens die het mogelijk maakt om binnenkomend licht te focussen.) Metamaterialen kunnen ook worden gebruikt om elektromagnetische golven rond een object te leiden, waardoor het onzichtbaar wordt. Onderzoekers hebben al een verhulapparaat gedemonstreerd dat objecten onzichtbaar maakt voor microgolven, en anderen hebben materialen gemaakt die elektromagnetische golven negatief breken in het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum. Maar tot nu toe moesten metamaterialen een patroon krijgen met ingewikkelde vormen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat ze moeten manipuleren. Daarom zijn materialen die werken met licht van microscopisch kleine golflengten, zoals infrarood en zichtbaar licht, moeilijk te maken. Vanwege de manier waarop ze negatieve breking produceren, hebben bestaande metamaterialen ook een sterke neiging om licht te absorberen, waardoor ze onpraktisch zijn voor gebruik in optica.
De materialen die in Princeton zijn ontwikkeld, behouden de eigenschap van negatieve breking, maar ze zijn veel gemakkelijker te maken. In plaats van ingewikkelde structuren te vereisen, zoals de gespleten ringen die worden gebruikt in het microgolfverhulapparaat, kunnen de materialen eenvoudig worden gemaakt door extreem dunne lagen halfgeleidermateriaal op elkaar te stapelen. Bovendien kan stapelen worden gedaan met dezelfde gereedschappen die nu worden gebruikt om halfgeleidermaterialen te maken voor lasers die in telecommunicatie worden gebruikt, zegt Claire Gmachl , de Princeton-onderzoeker die het werk leidde. De nieuwe materialen bestaan uit afwisselende lagen van indium-galliumarsenide en aluminium-indiumarsenide, en ze zijn afgestemd om in het infrarode gebied van het spectrum te werken.
Net als andere metamaterialen beïnvloeden de nieuwe materialen licht anders dan gewone materialen, omdat ze zijn gemaakt van structuren die aanzienlijk kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat er doorheen gaat. In dit geval zijn het echter de lagen van halfgeleiders zelf die dunner zijn dan de golflengte van licht. Dientengevolge ontmoet een golf die door het materiaal gaat meerdere lagen tegelijk en reageert erop alsof ze een enkel materiaal zijn met eigenschappen die heel anders zijn dan die van beide halfgeleiders afzonderlijk.
Wat de nieuwe materialen anders maakt dan eerdere metamaterialen, is dat ze in plaats van twee aspecten van de manier waarop licht beweegt te veranderen, er slechts één veranderen. Als licht wordt gezien als een golf, staat het golffront loodrecht op de richting waarin het licht beweegt. Stel je een oceaangolf voor die aan land stort: hij beweegt maar in één richting, maar het golffront is een enorme muur van water. Eerdere metamaterialen veranderden de richting van de lichtstralen die er doorheen gingen, en het golffront bleef loodrecht op de richting van de straal. In de nieuwe materialen verandert de lichtstraal van richting, maar de golffronten niet, waardoor de indruk ontstaat dat ze opzij glijden in plaats van naar voren te bewegen. (Zie afbeelding hieronder.)
Wanneer een lichtstraal door een gewoon materiaal beweegt, beweegt deze in dezelfde richting als de lichtgolven gericht zijn (bovenste deel van de afbeelding). Wanneer een lichtstraal een nieuw type metamateriaal binnengaat, verandert deze van richting, maar de golven blijven dezelfde kant op gericht en lijken zijwaarts te glijden (zie onderste helft van de afbeelding). Deze afbeelding is afkomstig uit een computersimulatie.
Krediet: Anthony Hoffman, Princeton University
Het algehele effect op de richting van de lichtstraal is hetzelfde als in het eerdere metamateriaal, maar de nieuwe materialen zijn eenvoudiger te maken en absorberen veel minder licht, waardoor ze aantrekkelijker zijn voor gebruik in optica.
De eerste toepassing die de Princeton-onderzoekers ontwikkelen, is een platte lens voor chemical-sensing devices, een toepassing waarvoor materialen die met infrarood licht werken bijzonder geschikt zijn. Gmachl zegt dat de huidige optische instellingen voor dergelijke apparaten omvangrijk zijn omdat ze conventionele lenzen gebruiken. De eerste toepassing zou zijn om dat materiaal te gebruiken om optische opstellingen te miniaturiseren door gebogen lenzen te vervangen door platte, zegt ze.
Een andere vroege toepassing zou kunnen zijn in nachtkijkers, die ook werken met infrarode golflengten. Voor mensen die nachtkijkers willen verbeteren, kan dit best interessant zijn, zegt Smolyaninov.