Fysici verklaren zwarte toestand van schakelbare spiegels

De `zwarte' stand van een dunne schakelbare spiegel, waarbij vrijwel al het opvallende licht wordt geabsorbeerd in plaats van gereflecteerd of doorgelaten, is drie jaar na zijn ontdekking van een theoretische verklaring voorzien. Postdoc Wiebke Lohstroh en collega`s van de Vrije Universiteit in Amsterdam achterhaalden dat het voor onmogelijk gehouden verschijnsel zijn oorzaak vindt in het zich spontaan opsplitsen van het spiegelmateriaal in twee lagen waarvan samenstelling en eigenschappen sterk uiteenlopen (Physical Review Letters, 5 nov).

In 1995 ontdekten fysici van de groep van Ronald Griessen (VU) de zogeheten schakelbare spiegel. Een dunne metallische laag bestaande uit een legering van yttrium en lanthaan bleek in een omgeving van waterstofgas doorzichtig (én elektrisch isolerend) te zijn, terwijl hij, zodra dat waterstof werd weggezogen, spiegelend (en geleidend) werd. Het `aan-' en `uitzetten' van de spiegel viel naar believen te herhalen en heeft te maken met de absorptie door de metaalfilm van waterstof. Het gaat om films van 100 à 200 nanometer dik, aangebracht op een doorzichtig substraat van glas, kwarts of saffier.

Zes jaar later ontdekten Amerikaanse fysici dat een dunne laag van een legering van magnesium (Mg) en nikkel (Ni) dit schakeleffect bij blootstelling aan waterstofgas eveneens vertoont. Bovendien bleek er naast de transparante en spiegelende toestand nog een derde mogelijkheid op te treden: de `zwarte' toestand. Bij opname van een relatief lage concentratie waterstofgas door de Mg2Ni-film bleek deze driekwart van het opvallende licht te absorberen, geen licht door te laten en een beetje te spiegelen. Die situatie intrigeerde fysici omdat in de zwarte toestand de film nog altijd een goede elektrische geleider is, en die hoort te spiegelen. Ook de combinatie hoge absorptie-lage reflectie stelde theoretici voor een raadsel.

De oplossing zit hem in het zich spontaan opsplitsen van de Mg2Ni-film in twee lagen bij blootstelling aan waterstofgas. Op de grens van substraat en film vormt zich een laag van circa 30 nanometer dik met een hoge concentratie waterstof, terwijl de rest van de film nauwelijks waterstof opneemt. De onderzoekers hadden verwacht dat bij een dunne laag de waterstof gelijkmatig over het materiaal verdeeld zou zijn, en dat een eventuele hogere concentratie waterstof zich aan de buitenkant van de film zou aandienen. De dunne waterstofrijke binnenlaag, zo wees nader onderzoek uit, bestaat uit een mengsel van (spiegelende) nanodeeltjes metallisch Mg2Ni en isolerend (transparant) Mg2NiH4. Bekend is dat zo'n mengsel licht in sterke mate kan absorberen.

Wiebke Lohstroh ontdekte de spontane vorming van een dubbellaag toen zij het preparaat zowel van de filmzijde als de substraatzijde bekeek: in een omgeving van waterstof werd de substraatzijde zwart.

Ook in andere legeringen met magnesium treedt de zwarte toestand op. De wijze waarop de film geprepareerd wordt en het type substraat beïnvloeden het optische gedrag nauwelijks. De overgang van spiegelend naar zwart (absorberend) biedt, zo schrijven de onderzoekers, toepassingsmogelijkheden in zonnecollectoren, achteruitkijkspiegels en optische waterstofsensoren.