Licht door een hoepeltje

Met een minuscuul ringetje hebben Nederlandse fysici de magnetische component van lichtgolven gemeten. Margriet van der Heijden

Onder Impressie van de meting van de elektrische (rood) en magnetische (blauw) component van lichtgolven. Boven Dat gebeurt met een minuscuul ringetje (links) dat, eenmaal onderbroken, ook gevoelig is voor de magnetische component. FOM/Kuipers en Tremani FOM/Kuipers en Tremani

Al eeuwen zoeken mensen naar een perpetuum mobile. Maar de natuur kent al lang een verschijnsel dat zichzelf eindeloos in stand houdt: de lichtgolf die moeiteloos door de ruimte reist, als het moet miljarden jaren. Voortgestuwd doordat wisselende elektrische velden telkens weer wisselende magnetische velden opwekken én vice versa.

In 1865 legde James Clark Maxwell met zijn beroemde wetten het gedrag van die wisselende elektrische en magnetische velden van lichtgolven vast. Maar dat wil niet zeggen dat er daarna niks meer te ontdekken viel, zegt prof. dr. Kobus Kuipers. Hij leidt bij het instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam een onderzoeksgroep die al jaren licht bestudeert, en ontdekt nog altijd nieuwe mogelijkheden.

De afgelopen maanden slaagden fysici uit Kuipers’ groep er met geavanceerde nanotechnieken in om, voor het eerst, het magnetische veld in lichtgolven te meten (Science express, online, 1 oktober 2009). “Toen ik de eerste resultaten zag, riep ik meteen: dat kan niet waar zijn. Niet alleen omdat ik als groepsleider kritisch móet zijn, maar ook omdat de heersende gedachte was dat zoiets nóóit zou lukken.”

Wel dus. En het lukte, niet helemaal toevallig, op het moment dat die magnetische component van licht belangrijk is geworden. Bij het ontwerp van onzichtbaarheidsmantels bijvoorbeeld, om beeldtechnieken verder te verbeteren en om lithografietechnieken te ontwikkelen die nóg fijnzinniger chips kunnen etsen.

HERTZ

Tot kortgeleden zagen fysici de magnetische component van lichtgolven gemakshalve over het hoofd. Van licht nemen we namelijk steevast de elektrische component waar. Dat geldt voor het zichtbare licht dat onze ogen zien. En ook als licht door glas reist of door een ander materiaal, bepaalt de wisselwerking met de elektrische velden in het licht (of: de elektrische permittiviteit) het gedrag van de golven.

Feitelijk gaat het natuurlijk steeds om de wisselwerking tussen het licht en de elektronen in een materiaal. De drijvende kracht achter die wisselwerking is evenredig met de veldsterkte van de wisselende elektrische én magnetische velden in de lichtgolf. Alleen: de bijdrage van het magnetische veld wordt getemperd met een factor v/c, waarbij c de lichtsnelheid is en v de véél geringere snelheid van het elektron. “Dat betekent dat het magnetische veld een verwaarloosbaar klein effect heeft; er niet toe doet”, zegt Kuipers. Laat staan dat je dat veld zou kunnen meten, zo was het idee. Maar dat is nu dus toch gelukt.

Promovendus Matteo Burresi uit Kuipers’ groep herhaalde daarvoor, op nanoschaal, de proeven die de befaamde Heinrich Hertz al in 1887 uitvoerde om Maxwells beschrijvingen van elektromagnetische golven te verifiëren. Hertz wekte staande microgolven op – elektromagnetische golven met een 10.000 keer langere golflengte dan zichtbaar licht. Hij liet ze passeren door een metalen hoepel die hij een eindje voor de stralingsbron opstelde

Magnetische velden die loodrecht op het vlak van zo’n hoepel staan, wekken in die hoepel een elektrische stroom op – zoals dat ook in een transformator of dynamo gebeurt. Hertz maakte dat zichtbaar met een kleine onderbreking in de ring, die verhinderde dat de stroom vrijuit kon rondlopen. In plaats daarvan bouwt zich aan weerszijden van de onderbreking elektrische lading op (positief aan de ene zijde en negatief aan de andere). En dat geeft vonken.

De truc van Herz was dat hij liet zien dat de (verplaatsbare) ring alleen vonkte op die plaatsen waar het wisselende magnetische veld volgens Maxwells wetten maximaal was. En de truc van de Amsterdamse onderzoekers was dat ze die onderbroken hoepel met enorme precisie op nanoschaal namaakten. Zo konden ze – 10.000 maal kortere – staande lichtgolven aftasten in een minuscule lichtgeleider, door het Twentse bedrijf LioniX gemaakt. En zo konden op vergelijkbare wijze de magnetische component van die lichtgolven in kaart brengen.

“Nog steeds zijn er collega’s die dat amper kunnen geloven”, zegt Kuipers. De velden wisselen zo snel (500.000 miljard keer per seconde) en het ringetje is zo minuscuul (duizend keer kleiner dan de dikte van een haar), dat de minste onzuiverheid de metingen kan verstoren. Maar de resultaten bleken, als de proeven herhaald werden met andere ringetjes en onder iets andere omstandigheden, steeds reproduceerbaar.

ONZICHTBAARHEIDSMANTEL

Toch: waarom zou je het magnetische veld van lichtgolven willen meten, als je dat heel precies kunt berekenen – met wetten uit 1865? “Omdat”, zegt Kuipers, “die berekeningen ineens zo eenvoudig niet meer zijn, wanneer je licht door ingenieuze aan de ontwerptafel bedachte materialen stuurt.” En juist in die kunstmatige ‘metamaterialen’, met structuren op de nanometerschaal, is de magnetische component wél belangrijk.

In zulke materialen proberen onderzoekers de magnetische wisselwerking (of: de magnetische permeabiliteit) te manipuleren om zo een negatieve brekingsindex te bewerkstelligen. “Dat levert je ‘fotonische antimaterie’ op”, zegt Kuipers. “Een materiaal waarin licht precies de andere kant op breekt dan verwacht en zelfs in tegengestelde richting lijkt te reizen.”

Als je een blokje van een gewoon materiaal en een blokje van het bijbehorende antimateriaal achter elkaar zet, schetst hij, dan lijkt het er netto op dat het licht niet door een materiaal is gereisd en geen afstand heeft afgelegd. Terwijl het in werkelijkheid twee blokjes is gepasseerd. Anders: als je, heel simpel gezegd, zulke blokjes om een voorwerp heen zet, heb je een onzichtbaarheidsmantel gemaakt.

HYPE

Onzichtbaarheidsmantels zijn niet de enige toepassing van de metamaterialen, die op hun beurt baat kunnen hebben bij de Amsterdamse meetmethode. Maar toch: gaat het hier niet om een hype? Metamaterialen werken per definitie in een beperkt golflengtegebied waardoor een voorwerp dat onzichtbaar is gemaakt voor infrarood straling onder, noem maar wat, een uv-lamp meteen weer opduikt. Bovendien werken de ‘mantels’ die tot nu toe bedacht zijn, hooguit in twee dimensies.

“Mijn antwoord daarop is”, zegt Kuipers, “dat ik geen zicht heb op onderzoek bij defensie. Zelf zie ik soldaten niet zo gauw in een tobbe rondlopen die hen onzichtbaar maakt. Laat staan dat ze in een bol rondrollen, wat nodig lijkt om ze in drie dimensies aan het oog te onttrekken. Maar ik denk dat onderzoekers bij defensie wel nuttige toepassingen op het oog hebben.”

Er zijn meer toepassingen. Met metamaterialen kunnen superlenzen worden gemaakt: rechthoekige lenzen die perfect, zonder vervormingen, vergroten. Daarmee kan in de chipsindustrie de lithografietechniek wellicht zo verbeterd worden dat details kleiner dan de golflengte van het licht gegraveerd kunnen worden.

“En de douane zou er van een afstand de inhoud van koffers mee kunnen bekijken”, zegt Kuipers. Maar dat vindt hij zichtbaar al net zo’n onprettige toepassing als die voor defensiedoeleinden. “Laat mij maar gewoon de fundamentele eigenschappen van licht bestuderen en me daarover verbazen. Dat is mijn passie.”

’s Middags stuurt hij nog een mailtje. “Ik was één belangrijke toepassing van de superlens vergeten waarmee ik meer affiniteit heb. Vanwege de perfecte beeldreconstructie, kijkt men bij het Imperial College in Londen of zo’n superlens de beeldtechnieken kan verbeteren bij onder meer MRI-scans.” Een mooie medische toepassing dus. Gelukkig.