Deel dit artikel

licht en de interactie van licht met materie vormen erg actuele onderzoeksdomeinen die voortdurend nieuwe toepassingen voortbrengen. door gebruik te maken van nieuwe nanomaterialen kan men nu het licht op fascinerende wijze manipuleren. in de nanofotonica worden die materialen metamaterialen genoemd omdat ze (optische) eigenschappen hebben die niet voorkomen in de natuur. hiermee wordt het mogelijk om perfecte lenzen, onzichtbaarheid en vreemde transmissie-effecten te creëren.

Nieuw licht: manipulaties via metamaterialen

Thierry Verbiest

Licht is een van de meest fascinerende en belangrijkste vormen van elektromagnetische straling: zonder licht zou er geen leven zijn. Tegelijk vormt licht de basis van heel wat technologische toepassingen die cruciaal zijn voor onze moderne samenleving. Denken we maar aan lasers, ledverlichting, zonnepanelen, tv-schermen, microscopie en andere. De optica, die de eigenschappen van licht beschrijft, heeft ook in de geneeskunde en telecommunicatie revoluties teweeggebracht en blijft een van de belangrijkste wetenschappelijke disciplines met een buitengewone economische impact. Om aandacht te vragen voor deze realisaties en om onderzoekers verder te inspireren werd 2015 door de Verenigde Naties uitgeroepen tot het jaar van het licht en op licht gebaseerde technologieën. 2015 telde ook een aantal verjaardagen van belangrijke ontdekkingen in de optica, zoals de honderdvijftigste verjaardag van de Maxwell-theorie rond elektromagnetisme en de honderdste verjaardag van de relativiteitstheorie van Einstein.

Ondanks al die ontdekkingen blijven licht en de interactie van licht met materie zeer actuele onderzoesdomeinen waaruit voortdurend nieuwe toepassingen voortkomen. De meest recente ontwikkelingen zijn vooral gebaseerd op de interactie van licht met nanomaterialen – materialen opgebouwd uit extreem kleine deeltjes met dimensies tussen 1-100 nanometer (1 nanometer is één miljoenste van een millimeter). Ze zijn vooral belangrijk voor op licht gebaseerde technologieën die steeds kleiner en sneller moeten worden en voor de ontwikkeling van nieuwe materialen die optische eigenschappen vertonen die niet in de natuur voorkomen. Dit onderzoeksdomein wordt ook wel eens de nanofotonica genoemd, omdat de manipulatie van licht op nanoschaal er centraal staat. Voor iedereen die wat vertrouwd is met licht, lijkt dit op het eerste gezicht onmogelijk: de golflengte van zichtbaar licht is namelijk ongeveer 500 nanometer en lichtgolven worden normaliter niet beïnvloed door materialen of structuren die korter zijn dan hun golflengte. Toch is recent gebleken dat het mogelijk is om licht te manipuleren met speciale nanogestructureerde materialen. Hierdoor worden optische verschijnselen niet langer slechts bepaald door de chemische samenstelling van het materiaal (‘uit welke atomen en/of moleculen bestaat het materiaal?’), maar voor een belangrijk deel ook door de nanogeometrie (‘hoe is het materiaal gestructureerd?’). Door gebruik te maken van metallische en niet-metallische nanostructuren, die heel precies gevormd zijn in specifieke nano-architecturen, kan licht worden gemanipuleerd op manieren die niet te bereiken zijn met natuurlijke materialen en in conventionele geometrieën. De nieuwe materialen waarmee dit wel kan noemt men metamaterialen.

Optische verschijnselen worden niet langer slechts bepaald door de chemische samenstelling van het materiaal maar ook door de nanogeometrie

Deze materialen zijn, zoals hierboven reeds aangehaald, kunstmatig gestructureerde materialen die gebruikt kunnen worden om licht, geluid en vele andere fysische verschijnselen te manipuleren. Zo wordt het mogelijk om perfecte lenzen, onzichtbaarheid en vreemde transmissie-effecten te creëren. Deze eigenschappen van metamaterialen zijn afgeleid uit zowel de inherente eigenschappen van de samenstellende materialen als uit de geometrische rangschikking ervan. Hoewel er vele structuren zijn die in aanmerking komen als metamaterialen, kunnen we stellen dat de meest voorkomende periodisch zijn opgebouwd uit elementen waarvan de grootte en onderlinge afstand veel kleiner zijn dan de golflengte van de invallende straling (in ons geval licht met een golflengte van om en bij de 500 nm). Metamaterialen voor optische toepassingen zijn meestal opgebouwd uit periodische roosters van metallische nanodeeltjes die veel kleiner zijn dan de golflengte van het invallende licht. Dergelijke deeltjes vertonen op zich al zeer merkwaardige optische eigenschappen. Onder invloed van licht kunnen in metallische nanopartikels immers zogeheten oppervlakteplasmonen worden geëxciteerd. Deze plasmonen bestaan uit collectieve oscillaties van de vrije (en dus zeer beweeglijke) elektronen in het metaal. Afhankelijk van de golflengte of kleur van het licht dat je op de nanodeeltjes afstuurt, zal dit resulteren in een versterking en lokalisatie van het licht in de nabijheid van de nanodeeltjes. Het nanodeeltje gedraagt zich dan als het ware als een antenne voor licht, wat concreet betekent dat we licht kunnen manipuleren op nanoschaal door de periodiciteit en de grootte van de nanodeeltjes aan te passen. De ontdekking van metamaterialen en de technologie om die ook daadwerkelijk te maken leidt natuurlijk naar een hele scala van nieuwe en dikwijls onmogelijk geachte optische eigenschappen. Drie tot de verbeelding sprekende ‘nieuwe’ eigenschappen zijn negatieve breking, onzichtbaarheid en asymmetrische transmissie.

Drie tot de verbeelding sprekende ‘nieuwe’ eigenschappen zijn negatieve breking, onzichtbaarheid en asymmetrische transmissie

Een eerste revolutionaire eigenschap is dus de negatieve breking. Lichtbreking is het verschijnsel waarbij een lichtstraal van richting verandert wanneer ze van het ene medium in het andere terechtkomt (bijvoorbeeld van lucht in water). Lichtbreking wordt beschreven door de brekingsindex, een positief getal dat meestal ligt tussen 1 (lucht) en 1.5 (glas). De brekingsindex bepaalt de snelheid van het licht en tevens hoe sterk en in welke richting het licht breekt aan een grensvlak tussen materialen: hoe hoger de brekingsindex, hoe sterker de breking. De Russische wetenschapper Victor Veselago opperde echter in 1968 dat de brekingsindex, theoretisch althans, ook negatief kan zijn. In dat geval zou het licht bij een grensvlak de ‘verkeerde’ kant op breken. Omdat echter geen enkel natuurlijk voorkomend materiaal een negatieve brekingsindex vertoont, werd hier verder weinig aandacht aan besteed. Het was pas in 2000 dat een team van Amerikaanse onderzoekers experimenteel aantoonde dat negatieve breking mogelijk was in metamaterialen.

Op het eerste gezicht lijkt dit allemaal niet zo indrukwekkend, maar de mogelijke toepassingen zijn formidabel. Negatieve breking opent namelijk de weg naar de ontwikkeling van de ‘perfecte lens’. Met een normale lens kun je maar details onderscheiden die zo groot zijn als ruwweg de helft van de golflengte van je lichtbron. Dit noemt men de diffractielimiet en het gevolg is dat deeltjes die veel kleiner zijn dan de golflengte niet te zien zijn. De onderliggende reden is de volgende: wanneer een object licht uitzendt of reflecteert dan bestaat deze straling eigenlijk uit twee types: de nabije veldstraling (‘near field’) en de verre veldstraling (‘far field’). Zoals de naam reeds impliceert zal alleen de verre veldstraling zich voortplanten (dit is wat je normaal waarneemt), terwijl de nabije veldstraling zeer snel uitdooft. Alle resolutie op nanometerschaal gaat echter verloren vermits deze verborgen zit in de nabije veldstraling. De oplossing is een lens, opgebouwd uit een metamateriaal met negatieve brekingsindex, aangezien die in staat is om de nabije veldstraling te versterken. De perfecte lens zou een geweldige vondst zijn, met een oplossend vermogen dat honderdmaal beter is dan normale lenzen. In principe zou je zelfs moleculen kunnen observeren in zichtbaar licht. In de praktijk zijn er echter nog wel wat problemen op te lossen: het is immers zeer moeilijk om negatieve breking te realiseren in volledig transparante materialen, wat natuurlijk een belangrijke voorwaarde is voor toepassingen. Tevens treedt negatieve breking dikwijls slechts op in een zeer nauw golflengtegebied, zodat niet alle kleuren van licht negatief gebroken worden.

Onzichtbaarheid is vrij eenvoudig: lichtstralen moeten om een object heen worden geleid op zo’n manier dat ze na passage in de oorspronkelijke richting verdergaan

Een ander tot de verbeelding sprekend effect is het creëren van onzichtbaarheid. Onzichtbaarheid is eigenlijk vrij eenvoudig: je hoeft alleen maar alle lichtstralen om een object heen te leiden op zo’n manier dat ze na passage in de oorspronkelijke richting verdergaan. Bij conventionele materialen kan dit niet, maar dankzij metamaterialen wordt het wel degelijk mogelijk om objecten quasi ‘onzichtbaar’ te maken. Vermits metamaterialen de propagatie van licht kunnen verstoren of een andere kant op sturen, wordt het mogelijk om licht rond een object te leiden, zodat het lijkt dat datgene wat zich onder het metamateriaal bevindt, verdwijnt. In 2015 ontwierp een team van onderzoekers onder leiding van professor Xiang Zhang van UC Berkeley een ‘onzichtbaarheidsmantel’ op basis van een metamateriaal. Ze toonden aan dat om het even welk (weliswaar zeer klein) 3D-object optisch verborgen kan worden onder een mantel van ongeveer 80 nm dik, die op een specifieke manier is opgebouwd uit gouden nanostructuren. Betekent dit nu dat we binnenkort elk willekeurig object kunnen onzichtbaar maken? Niet helemaal: onzichtbaarheid creëren werkt momenteel slechts voor een beperkt golflengtegebied (dus niet voor alle kleuren) en opschaling is voorlopig ook nog toekomstmuziek. Belangrijk is echter dat deze studie aantoont dat onzichtbaarheid creëren niet per definitie onmogelijk is.

Asymmetrische lichttransmissie is een optisch fenomeen waarbij licht dat invalt langs de ene kant van een materiaal grotendeels doorgelaten wordt, terwijl licht dat invalt langs de andere kant bijna volledig geabsorbeerd of gereflecteerd wordt. Dit lijkt op het eerste gezicht gelijkaardig aan de geblindeerde ramen van sommige auto’s waarbij je wel naar buiten kunt kijken maar niet naar binnen. De werking van die ramen steunt op het feit dat de lichtintensiteit buiten veel groter is dan binnen. Asymmetrische transmissie daarentegen is een inherente eigenschap van het materiaal en verschillen in lichtintensiteit zijn hier niet van belang. Het is een zeer onverwacht fenomeen dat niet voorkomt in natuurlijke materialen. Recent werd echter experimenteel aangetoond dat metamaterialen sterke asymmetrische transmissie kunnen vertonen. Het betreft een materiaal dat was opgebouwd uit afwisselende lagen van zilver- en goudnanopartikels. Ook hier is de oorsprong van het fenomeen de aanwezigheid van plasmonen in de metallische nanopartikels die bepaalde stralingscomponenten van het licht in één richting versterken en in de andere richting afzwakken. De toepassingen situeren zich in de telecommunicatiesector: dergelijke materialen zouden kunnen worden geïncorporeerd in optische netwerken om ongewenste reflecties (die de datatransmissie verstoren) te elimineren. Maar ook hier zijn echte toepassingen nog niet direct aan de orde. De asymmetrische transmissie-effecten die aangetoond werden, zijn immers nog zeer klein en er is zeker nog heel wat onderzoek nodig om deze effecten te optimaliseren.

Bovenstaande voorbeelden tonen duidelijk aan dat de nanofotonica een veelbelovend onderzoeksdomein is en we kunnen stellen dat er reeds enkele potentieel zeer belangrijke optische fenomenen aangetoond en gerealiseerd zijn. Toch zijn er nog vele andere toepassingen mogelijk, zoals de ontwikkeling van zeer efficiënte zonnecellen, nieuwe componenten in optische netwerken en toestellen die licht extreem kunnen vertragen. De ongelooflijke flexibiliteit in design die metamaterialen ons bieden zal ongetwijfeld leiden tot nog andere, voorlopig onbekende exotische fysische fenomenen. Hiervoor zijn echter nieuwe metamaterialen nodig, opgebouwd met een ongekende precisie en complexiteit. Voor praktische toepassingen zal ook schaalvergroting een belangrijke uitdaging zijn. Hoe de nanofotonica zich in de komende jaren verder zal ontwikkelen is moeilijk te voorspellen. Wat wel vaststaat is dat ze perfecte manipulatie van licht op nanoschaal als ultieme doel heeft, en dat haar impact op andere onderzoekdomeinen, zoals de telecommunicatie, beeldvorming en energiewinning, zeer significant zal zijn.

Ian Osborne, ‘Special Issue in Science. Frontiers in Light & Optics’, in: Science Translational Medicine, 2015, 348(6234), 514-515.

Thierry Verbiest is als chemicus verbonden aan de KU Leuven.