Snellius in de min

Natuurkundigen van de Universiteit van Californië in San Diego zijn erin geslaagd een samengesteld materiaal te maken met een negatieve brekingsindex. Microgolven (van het type dat de politie bij snelheidscontroles gebruikt) die door een prisma van dit materiaal werden gestuurd knikten bij de overgang naar lucht de verkeerde kant op (Science, 6 april). Mogelijke toepassingen van het effect zijn lenzen die stukken scherper afbeelden dan gewone materialen klaarspelen.

Wie een rietje scheef in een teil met water steekt, ziet aan het oppervlak een knik. Een lichtstraal die van de ene naar de andere (doorzichtige) stof loopt, zo leert de wet van Snellius, wordt aan het grensoppervlak gebroken. Hoe sterkt die breking is hangt af van de brekingsindex. Die is voor water 1,3, voor glas 1,5 en diamant flonkert onder meer zo fraai vanwege zijn relatief forse brekingsindex van 2,4.

Van gewone materialen uit de natuur is de brekingsindex altijd positief. Niettemin stelde de Russische fysicus V.G. Veselago in 1968 dat een negatieve brekingsindex niet in strijd was met de theorie van Maxwell. Die dateert uit 1864 en beschrijft de loop door de materie van elektromagnetische golven zoals zichtbaar licht, infrarood en ultraviolet, radiogolven en röntgenstraling. De elektrische en magnetische eigenschappen van een medium zijn vervat in twee doorgaans positieve constanten. Zouden die beide negatief zijn, aldus Veselago, dan beweegt de lichtenergie nog altijd voorwaarts maar lopen de individuele golffronten achteruit en is de brekingsindex negatief. Wat inhoudt in dat de gebroken straal aan `de verkeerde kant' van de normaal (de loodlijn op het grensoppervlak) zit.

De groep uit San Diego is er onder leiding van Sheldon Schultz als eerste in geslaagd een meta-materiaal te maken dat dit effect vertoont. De structuur bestaat uit een rooster van loodrecht op elkaar staande glasplaten, een kwart millimeter dik, waarop aan de ene kant koperen ringen met een opening zijn geëtst en aan de andere kant koperen strips. Uit dit samengestelde materiaal werd een prisma gesneden waarop een bundel microgolven werd gericht. Omdat de golflengte 3 cm bedroeg en de repeterende basiseenheid van het meta-rooster 0,5 cm groot was, `zien' de microgolven het meta-materiaal als uniform. De brekingsindex bedroeg -2,7, waar die voor teflon (een kunststof doorzichtig voor microgolven) 1,4 bedroeg.

Meta-materialen met een negatieve brekingsindex zijn meer dan een curiositeit. Afgelopen najaar liet de Britse fysicus John Pendry in een artikel in Physical Review Letters zien dat er in principe `perfecte lenzen' mee te maken zijn die veel scherper afbeelden dan bij gewone lenzen theoretisch mogelijk is. Ook kan een vlakke plaat van dit materiaal, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een glasplaat, een bundel licht focusseren. Een andere eigenschap is het omgekeerde Doppler-effect. Is het normaal zo dat het licht van een bron die de waarnemer nadert een kortere golflengte krijgt (vergelijk de hogere toon van de sirene van een naderende ziekenauto), in een medium met een negatieve brekingsindex wordt deze juist langer.

Nu het bestaan van een negatieve brekingsindex experimenteel is aangetoond bij microgolven, dient zich de vraag aan of er meta-materialen bestaan die dit kunstje ook bij aanzienlijk kortere golflengtes vertonen. De Britse fysicus Mike Wiltshire, die in Science een begeleidend commentaar schrijft, heeft eerder dit jaar aangetoond dat op basis van `Swiss roll'-achtige structuren ook radiogolven van 0,06 mm de verkeerde kant op kunnen breken. Schultz denkt dat de door zijn groep gehanteerde structuren tot hooguit in het infrorode gebied te gebruiken zijn, en dus niet bij zichtbaar licht werken.

Dat neemt niet weg dat toepassingen op het gebied van de mobiele telefonie zeer wel voorstelbaar zijn. Maar al heeft Schultz zijn meta-structuur gepatenteerd en verleent het Amerikaanse Defensie-apparaat hem financiële ondersteuning, voorlopig gaat het nog om fundamenteel onderzoek.

    • Dirk van Delft