Metamateriaal maakt zichzelf en zijn inhoud onzichtbaar

Een onzichtbaar makende mantel, bedacht in sprookjes, Harry Potter-boeken en science fiction, kan echt bestaan. Fysici van Imperial College in Londen en Duke University in North Carolina hebben berekend dat een bol van een zogeheten metamateriaal zijn binnenste verhult en zelf ook niet zichtbaar is (Science express, 25 mei). Metamaterialen zijn recent ontwikkeld en hebben een brekingsindex die kleiner dan 1, of zelfs negatief is.

Het eenvoudige principe van een onzichtbaar materiaal: het geleidt de lichtstralen door en om het object alsof ze gewoon rechtdoor gaan. illustratie science Licht, natuurkunde optisch

Een object onzichtbaar maken is conceptueel doodeenvoudig. Je hoeft alleen maar alle lichtstralen om het geheime object heen te leiden op zo'n manier dat ze na passage in precies de oorspronkelijke richting doorgaan.

De uitvoering van dit concept is een nachtmerrie. Lenzen, gemaakt van glas met een brekingsindex groter dan één, kunnen de richting van licht veranderen. Maar een lenzenconfiguratie die lichtstralen uit alle richtingen gladjes en onmerkbaar om een donker centrum loodst, is mathematisch onmogelijk, toonden wiskundigen al in de jaren tachtig aan.

Anders ligt het met materialen met een brekingsindex die kleiner is dan één of zelfs negatief. Ze komen in de natuur niet voor, maar werden begin deze eeuw voor het eerst gemaakt, aanvankelijk alleen voor microgolfstraling.

Inmiddels bestaan de eerste metamaterialen voor zichtbaar licht, met golflengten tussen 400 en 800 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). Vorig jaar werd het eerste experimentele optische metamateriaal gedemonstreerd (Nature, 17 november 2005). Het bestond uit een regelmatige structuur van gouden cilindertjes. Op maat gemaakte, driedimensionale optische metamaterialen blijven voorlopig toekomstmuziek.

De toepassingen van metamaterialen lijken veelbelovend. Er zijn superlenzen mee mogelijk die details kunnen vergroten kleiner dan de lichtgolflengte (inmiddels experimenteel aangetoond) en er ontstaan nieuwe methoden om licht op zeer kleine schaal te manipuleren.

Bij die beloften voegt zich nu onzichtbaarheid. Met niet eens zo heel ingewikkelde wiskunde tonen de auteurs aan dat een dikke bolschil met een bepaalde, al naar gelang de diepte in het materiaal variërende brekingsindex kleiner dan 1, invallende lichtstralen gladjes om het donkere binnenste heen kan loodsen: de bolschil en wat er eventueel in de kern zit blijven zo praktisch onzichtbaar.

Helemaal perfect is de onzichtbaar makende mantel niet. Zo zullen lichtstralen die er loodrecht op vallen niet goed om het centrum heengeleid kunnen worden, waardoor er toch een kleine stip overblijft. Bovendien werkt het principe alleen bij golflengten in een beperkt golflengtengebied, dus niet voor alle kleuren. Bruno van Wayenburg

    • Bruno van Wayenburg