Onzichtbaar zonder tovenarij

De onzichtbaarheidsmantel uit de Harry Potterboeken duikt binnenkort wellicht in de echte wereld op. In Amerika zijn materialen gemaakt die licht om de tuin leiden.

Het team van Jason Valentine maakte een ‘metamateriaal’ door zilver en magnesiumfluoride op te stapelen tot een driedimensionale visnetstructuur, met mazen die kleiner zijn dan de golflengtes van zichtbaar licht (hierboven). Een team onder aanvoering van Jie Yao ontwikkelde ook zo’n kunstmatig materiaal, uit poreus aluminium waardoorheen zilveren nanodraadjes (draadjes met dimensies van miljoenste millimeters) zijn geweven (niet afgebeeld). Foto Nature On the left is a schematic of the first 3-D "fishnet" metamaterial that can achieve a negative index of refraction at optical frequencies. On the right is a scanning electron microscope image of the fabricated structure, developed by UC Berkeley researchers. The alternating layers form small circuits that can bend light backwards. (Image by Jason Valentine, UC Berkeley) Valentine, Jason;UC Berkeley

Enthousiasme begin deze week bij fans van fantasy en sciencefiction: de onzichtbaarheidsmantel, bekend uit de Harry Potterboeken, kan over afzienbare tijd in onze gewone mensenwereld gemaakt worden. Tenminste, de kans daarop is flink toegenomen dankzij twee teams van de universiteit van Californië in Berkeley.

De clou van een onzichtbaarheidsmantel is dat hij geen licht absorbeert, doorlaat of weerkaatst. Het komt er op neer dat de mantel alle lichtstralen om de manteldragende mens heen leidt en hem of haar zo aan het oog onttrekt.

Dat lijkt een beetje op water dat in een snelstromende beek om een kei stroomt. Als het daarna weer samenvloeit, is er stroomafwaarts in het water geen spoor van de kei meer te bekennen.

Onderzoekers die licht zo om een voorwerp heen weten te manipuleren, moeten er wel voor zorgen dat het voorwerp intussen zo min mogelijk licht absorbeert. Anders zou ‘stroomafwaarts’ een schaduw te zien zijn. En uiteraard moet het voorwerp ook zo min mogelijk licht weerkaatsten, want juist het weerkaatste licht maakt voorwerpen zichtbaar.

De lichtomleiding slaagt alleen als licht ogenschijnlijk niet langer aan de gebruikelijke, ijzeren wetten van breking en weerkaatsing voldoet. En dat is precies wat de twee teams uit Californië, allebei uit de groep van fysicus Xiang Zhang, voor elkaar hebben gekregen. Ze hebben ieder een materiaal ontwikkeld dat het gedrag van licht op zijn kop zet.

Het gaat om ‘metamaterialen’, kunstmatig ontwikkelde materialen die in de natuur niet voorkomen en waarin ragfijne structuren geweven zijn, met dimensies vele malen kleiner dan de golflengtes van het licht. Het bijzondere van zulke materialen is dat ze een brekingsindex hebben die kleiner is dan 1 en die, zoals in deze onderzoeken, zelfs negatief kan zijn.

In de alledaagse wereld komt een negatieve brekingsindex niet voor, maar als dat wel het geval was, zou het tot vreemde illusies leiden: vissen in een vloeistof met een negatieve brekingsindex zouden boven het oppervlak lijken te zwemmen en een rietje in een glas met zo’n vocht ziet eruit als twee rietjes die elk een andere kant op wijzen. Dat materialen met zo’n negatieve brekingsindex werkelijk ontwikkeld zouden worden, leek echter een paar jaar geleden nog bijna onmogelijk – zelfs al werd hun bestaan veertig jaar geleden al voorspeld.

„En nu zijn er dus in het lab voor het eerst materialen gemaakt met een negatieve brekingsindex, die bovendien werkzaam zijn voor bijna zichtbaar licht”, zegt de Nijmeegse hoogleraar Theo Rasing, zelf ook expert in het manipuleren van licht. „Eerder”, vervolgt Rasing, „bestonden er alleen metamaterialen die werkten voor radiogolven of microgolven – voor elektromagnetische golven dus met golflengtes van centimeters. Maar de golflengte van zichtbaar licht is een factor tienduizend korter. En het is véél moeilijker om de eigenschappen van zúlke korte golven te manipuleren, en daarmee dus hun gedrag. Dat het nu gelukt is, vind ik toch wel spectaculair.”

Het spreekt natuurlijk tot de verbeelding, zegt Rasing, dat deze materialen de weg bereiden voor een onzichtbaarheidsmantel, zelfs al is voorlopig van grootschalige metamateriaalproductie nog geen sprake en zijn de proeven alleen nog met infrarood en zwak rood licht uitgevoerd. En het is niet vreemd dat ook het Amerikaanse leger interesse in het onderzoek heeft. Maar op kortere termijn liggen andere toepassingen voor de hand. Superkrachtige microscopen bijvoorbeeld. En misschien biedt de vondst ook mogelijkheden voor snellere en compactere magnetische gegevensopslag op harde schijven, Rasings onderzoeksterrein, doordat gegevens ermee met nauwere lichtbundels weggeschreven kunnen worden.

    • Margriet van der Heijden