Steeds onzichtbaarder

Hij ontwierp de onzichtbaarheidsmantel en de superlens. Nu is natuurkundige John Pendry een gedoodverfde Nobelprijskandidaat. Margriet van der Heijden

Hij was in Nederland. Sir John Pendry (67). In een onberispelijk pak. En zonder onzichtbaarheidsmantel. Maar toen hij na zijn lezing voor duizend Nederlandse fysici aanschoof aan de glanzende houten tafel in een vergaderzaal bij Eindhoven, toen leek het ineens helemaal niet gek dat hij er toch zomaar eentje tevoorschijn zou toveren.

Het kwam door de pretlichtjes die in zijn ogen schemerden. Door zijn mild spottend uitgesproken understatements. En vooral: door zijn werk.

Vier jaar geleden werd Pendry wereldberoemd met zijn recept voor ‘onzichtbaarheidsmantels’ (Science, 23 juni 2006). De eerste eenvoudige versies van zulke mantels zijn intussen gemaakt. Het zijn uit concentrische ringen opgebouwde ‘hutjes’ waarin voorwerpen verdwijnen – in elk geval als je ze bekijkt met radarstraling. Of kleine, stevig tapijtjes die voorwerpen wegtoveren.

Hoe kwam u na al een lange carrière ineens op het idee van de onzichtbaarheidsmantel?

Pendry: “Ik bedacht hem als grap. Zo nu en dan werd ik uitgenodigd voor bijeenkomsten van DARPA – het onderzoeksbureau van het Amerikaanse ministerie voor defensie. Die keer vroegen ze me om ook wat ideeën uit de losse pols te spuien, om te prikkelen. Helemaal aan het einde van mijn praatje opperde ik toen, terloops, de onzichtbaarheidsmantel. En ineens zat de hele zaal rechtop: What!?”

Meteen na afloop, zegt Pendry, kwam er een dame op hem af die zei dat DARPA zijn onderzoek graag wilde financieren. Ze hadden zelfs – hij zegt het met een glimlachje – veel meer willen betalen dan hij toen spontaan vroeg.

Is het voor u een punt dat zulk geld van het ministerie van Defensie komt?

“Nou, het is de taak van DARPA om ervoor te zorgen dat de VS voorbereid zijn op elke mogelijke nieuwe techniek die aanvallers zouden kunnen gebruiken. Anders dan veel geldschieters buiten de academische wereld zijn ze bij DARPA daarom enorm geïnteresseerd in buitenissige ideeën. Daar zoeken ze voortdurend naar en ze betalen heel veel materialenonderzoek. Maar ook allerlei bedrijven betalen daaraan mee, hoor.”

Komen er dus ook andere toepassingen dan militaire, voor een breder publiek ?

“Ja, zeker. Er werken duizenden mensen over de hele wereld aan toepassingen van het concept. Een paar jaar geleden gaf ik een lezing in Peking. In de zaal zaten honderd studenten en promovendi die zich specialiseerden in dit type onderzoek. Wat later was ik in Shanghai: weer honderd mensen. Ik zei: jullie komen natuurlijk uit Peking. Nee hoor, zeiden ze, wij zijn de Shanghai-mensen.” Weer dat kleine glimlachje.

Aan de mantel die Harry Potter nu en dan omslaat, doen de eerste mantels uit het lab in de verste verte niet denken. Je kunt er bijvoorbeeld wel dingen in laten verdwijnen, maar wie erin zit kan er niet – à la Potter – doorheen naar buiten kijken. En de ‘metamaterialen’ waaruit ze zijn gemaakt, hebben niks soepels. Ze bestaan bijvoorbeeld uit een netwerk van minuscule metalen oogjes en staafjes op een stevige ondergrond. Of uit silicium waarin een patroon van ragfijne gaatjes is geboord.

De clou is dat je met zulke ragfijne structuren licht kunt manipuleren op een manier die in de natuur zijn weerga niet kent [zie kader]. Dat heeft te maken met de wijze waarop lichtgolven in wisselwerking treden (via zogeheten ‘plasmonen’) met het oppervlak van de staafjes, oogjes of putjes.

Met die kennis in het achterhoofd schetste Pendry in 1999 een netwerk van minuscule ringetjes en staafjes waarin licht (in dit geval eigenlijk: radiogolven) zich zelfs volstrekt tegendraads zou gedragen (IEEE Trans. Microw. Theory Tech., november 1999). De lichtgolven liepen achteruit, en de lichtbreking ging ‘verkeerd om’. Om een idee te krijgen: zouden vissen in een vloeistof met die eigenschappen zwemmen, dan zou een toeschouwer ze boven hun kom zien zweven.

En toen fysici in de Verenigde Staten een jaar later met de nieuwste nanotechnieken zo’n materiaal gemaakt hadden, bedacht Pendry alweer iets: Je zou er een lens van kunnen maken. Het zou, liet hij zien, een superlens zijn (Phys. Rev. Lett., oktober 2000) Want terwijl gewone lenzen geen details onthullen die kleiner zijn dan de golflengte van het gebruikte licht, zou deze lens elk detail tonen alsof je er met je neus bovenop stond.

Met zulk werk sloeg Pendry toen een brug tussen de vergelijkingen van Maxwell die sinds 1864 het gedrag van licht beschrijven en de nieuwe metamaterialen en hun toepassingen – waaronder later ook de mantels.

Lenzen leken zo goed begrepen. De Maxwellvergelijkingen bestonden al zo lang. Hoe kwam u op de gedachte aan zo’n nieuwe superlens?

“Het was serendipiteit. Ik had destijds een drukke baan als decaan van de natuurkundefaculteit. Toen hoorde ik dat David Smith bij de universiteit van Californië in de VS inderdaad zo’n metamateriaal had weten te maken waarin licht zich buitenissig gedraagt. En het Veselago-paper dook op.”

In die publicatie uit 1967, lang voor er metamaterialen bestonden, beschreef de Russische fysicus Victor Veselago al in grote lijnen het herontdekte buitenissige gedrag van licht. Het zette Pendry aan het denken. Je kon een lens maken van het nieuwe materiaal. Maar welke rol zouden de karakteristieke oppervlakteverschijnselen – de ‘plasmonen’ – daarin spelen?

“Op een zondag ben ik daar toen voor gaan zitten. Het was niet moeilijk. Ik loste de vergelijkingen van Maxwell op, rekende verder en merkte tot mijn eigen verrassing wat een vreemd effect de plasmonen hadden: zij kortwiekten het oplossend vermogen van de lens niet.

“Ik pakte het vel papier en liep naar beneden. Mijn vrouw stond de lunch te maken. Ik zei: ‘ik heb de perfecte lens gevonden. Ik word beroemd. Of berucht.’ In de jaren daarna werd ik het allebei, want er brak een storm van kritiek los.”

Waarom reageerden collega’s zo geprikkeld op uw werk?

“Het idee dat lenzen een begrensd oplossend vermogen hebben zit bij fysici diep ingebakken, denk ik. En elke natuurkundige denkt dat hij die oude en zo bekende vergelijkingen van Maxwell goed doorgrondt.”

Maar de diepere gedachte achter zijn werk was nog best “tricky”, zegt Pendry. En wanneer mensen die dan niet doorzagen, reageerden ze “emotioneel”.

Emotioneel?

“Ja, met de oprechte woede die een fysicus voelt als hij de indruk heeft dat iemand iets belachelijks beweert.

“Vervelender vond ik dat sommige jonge collega’s hoopten snel naam te maken door mij voor gek te zetten. Dat ging gepaard met zoveel bozigheid, dat ik wel eens dacht: oh, goodness.

“Zoiets doet pijn. Je gaat ongelukkig naar bed. Maar gelukkig hebben de critici er een voor een het zwijgen toe gedaan. En het goede was dat de kwestie veel aandacht trok, ook in de pers.” Verontschuldigend: “Journalisten houden van deze menselijke kantjes aan het onderzoek. In Britse kranten verschenen grote stukken.”

De onzichtbaarheidmantel werd een paar jaar later stukken enthousiaster ontvangen…

“Ja, maar dat was anders. Intussen hadden we die hele wiskundige machinerie in de vingers waarmee je lichtstralen heen en weer kunt bewegen alsof het stukjes snoer zijn. Daarmee móést de mantel vroeger of later gewoon worden bedacht.

“Het is echt een voorbeeld van wat ik zelf een prachtige vondst zou noemen. Iets waarvan je, als je het eenmaal hebt geformuleerd, denkt: het ligt zo voor de hand. Waarom is niemand hier eerder op gekomen?”

En ja, waarom?

“Daar is vaak geen heldere reden voor. Ik was de gelukkige die erover struikelde.”

De eerste echte onzichtbaarheidsmantel bestond uit concentrische ringen rond een voorwerp. De minuscule structuurtjes op de ringen bogen het licht om het voorwerp heen en stuurden het daarna weer verder. Zoals water dat in een beek om een steen spoelt. Een toeschouwer verderop (of stroomafwaarts) had intussen geen idee dat er een voorwerp in de weg lag. Tenzij hij boven de ringen ging staan, want van bovenaf bezien lagen die wel open en bloot.

Deze mantel had nog een beperking. Minuscule structuurtjes manipuleren alleen licht met een golflengte die ongeveer even groot is als zij zelf zijn. En omdat de structuren op de concentrische ringen betrekkelijk groot waren, hielden ze uitsluitend radargolven tegen, met een heel specifieke golflengte.

“Maar intussen bestaan ook de eerste mantels die voorwerpen wegtoveren in het zichtbare licht, en zelfs voor een breder spectrum van golflengtes, van rood tot blauw”, zegt Pendry. In 2008 bedacht hij bovendien mantels die voorwerpen relatief eenvoudig in drie dimensies verbergen (Phys. Rev. Lett., 10 november 2008). Zonder dat er ingenieuze bollen of hutten voor gefabriceerd hoeven worden.

Zulke ‘mantels’ zijn eigenlijk tapijtjes. Ze bestaan bijvoorbeeld uit silicium met minuscule putjes erin. Eerst wordt een voorwerp onder zo’n tapijt geschoven, waarna het zich natuurlijk verraadt door een hobbel. In stap twee goochelen fysici die hobbel weg met het slim gekozen gaatjespatroon. Dat stuurt de lichtstralen zó bij dat de hobbel optisch wordt uitgevlakt. Dergelijke tapijtjes worden, steeds iets groter, gemaakt in de groep van Xiang Zhang in Berkeley in de VS.

Een variant is het spiegelende tapijt. De hobbel daarin valt vooral indirect op doordat die het spiegelbeeld vervormt. Maar een laagje van slim gestapelde polymeerstaafjes compenseert dat en strijkt opnieuw de hobbel glad – zo liet Li Jensen in Hongkong zien.

“En in Birmingham”, zegt Pendry enthousiast, “sleutelt Shuang Zhang aan een materiaal uit de natuur, calciet, dat minder goed, maar wel veel goedkoper voorwerpen kan verhullen.” Zelfs onder water, zegt hij.

Welke toepassing komt het eerst op de markt?

“Ik denk de akoestische mantel.” Die kan voorwerpen onzichtbaar maken voor sonar of geluid uit ruimtes weren. “Het is iets heel anders, maar wel geïnspireerd op de onzichtbaarheidsmantel.”

En toepassingen met licht?

“Eerst zullen metamaterialen op eenvoudiger manieren worden ingezet, zoals in de auto-industrie. Wist je bijvoorbeeld dat luxe auto’s tegenwoordig systemen hebben waarmee ze automatisch afstand tot de auto’s vóór hen houden? Die systemen zenden radargolven uit en meten of en hoe vlug die daarna weerkaatsen. Maar de lens die de weerkaatste radarstraling opvangt is van kunststof en tien centimeter groot.” Glimlachje. “Een levensgroot probleem schijnt te zijn dat hij niet achter de grill van een Lexus past. Collega David Smith heeft daarom een lens van metamaterialen gemaakt – efficiënter, goedkoper én kleiner.”

En verder?

“Xiang Zhang probeert in Berkeley om dvd-systemen te verbeteren met superlenzen. De huidige systemen werken met blauw licht en kunnen dus alleen details uitlezen en wegschrijven die groter zijn dan de golflengte van dat licht. Superlenzen nemen die beperking weg. Zo zouden ze de gegevensopslag op dvd’s compacter kunnen maken.” En zo kunnen dvd-systemen misschien weer concurreren met de nieuwere systemen die op compacte magnetische gegevensopslag zijn gebaseerd.

Pendry: “Op de lange termijn zou je met superlenzen ook zulke scherpe en intense lichtbundels kunnen maken, dat je ze kunt gebruiken om licht met licht te schakelen.” En dát is een heilige graal voor snelle telecommunicatiesystemen.

Het werk aan de onzichtbaarheidsmantels is ook van de lange adem. Want al vordert het gestaag, het is nog een eindeloos gepruts op de nano- tot centimeterschaal.

Ik hoop dat ik u niet beledig maar het werk dat u beroemd maakte, deed u toen u tegen de zestig was, en ín de zestig. Terwijl vaak wordt gezegd dat alleen twintiger of dertigers ontdekkingen kunnen doen.

Lacht wat. “Ik denk dat vooral wiskundigen denken dat hun ideeënvoorraad na hun dertigste uitgeput raakt. Het beroemdste tegenvoorbeeld is natuurlijk Carl Gauss, de befaamde wiskundige die tot aan het einde van zijn 78-jarige leven bleef werken en schrijven.

“Het geheim is volgens mij dat je bereid moet zijn om geregeld nieuw onderzoek op te pakken. Als je te lang in hetzelfde veld blijft hangen drogen je ideeën op. Dan eindig je in een bestuursfunctie. Niks op tegen, maar als je een creatief onderzoeker wilt blijven moet je je nu en dan op iets nieuws storten.”

Dat heeft u zelf ook gedaan?

“Ja, en ik weet dus dat het gemakkelijker gezegd dan gedaan is. Ik begon ooit met elektronenfysica. We gebruikten elektronen om materiaaloppervlakken in kaart te brengen en ik was gerespecteerd en bekend in dat vak. Zeg je dan zomaar: sorry chaps, ik ga weer eens wat anders doen? Dat is moeilijk.”

Maar u deed het wel.

“Ja, mijn tactiek was om op mijn oude terrein iets te doen wat me gemakkelijk afging. En om me tegelijkertijd op nieuwe en gekke zaken te storten. Nu en dan kwam daar iets moois en goeds uit voort en dan verlegde ik mijn koers.” Lacht een beetje. “Maar nu blijf ik me gewoon bezighouden met de metamaterialen – er is nog zoveel te doen.”