Koreaanse onderzoekers hebben een materiaal gemaakt dat infraroodgolven ongekend sterk vertraagt. De onderzoekers verwachten onder andere toepassingen in optische computerchips en onzichtbaarheidsmantels.

Het materiaal, een flexibel oppervlak met daarop H-vormige stukjes aluminium van 60 bij 60 micrometer (duizendste millimeter), laat binnenvallende infraroodgolven met een frequentie van 0,85 THz (biljoen trillingen per seconde) maar liefst 97 procent van hun snelheid verliezen. Daarbij is de mate van vertraging nauwkeurig af te stellen door simpelweg de afmetingen van de elementen te wijzigen. Hierdoor is het uitstekend te gebruiken in technische toepassingen als computerchips en lenzen.

De vertraging is het gevolg van de hoge weerstand die het elektrisch veld van de infraroodgolven ervaart als het het materiaal binnendringt. Deze hoge weerstand ontstaat door de kleine afstand (0,2 micrometer) tussen de aluminium elementen. Als daar een elektrisch veld doorheen gaat, hoopt lading zich op in de armen van de elementen. Dit veroorzaakt een scheiding tussen positieve en negatieve lading in de elementen, wat uiteindelijk de hoge weerstand oplevert.

Afbeelding: Een element van het materiaal. De pijl met label 'k' geeft de richting van de binnenkomende infraroodgolven aan. De lengte van L is 60 micrometer, terwijl a een lengte van 58,8 micrometer heeft.

Grenzen van breking
Elk materiaal dat golven doorlaat vertraagt de snelheid van de golven. Gevolg is dat de golven ‘breken’: de richting van de golf verandert wanneer het op het grensvlak van het materiaal en de omgeving komt. Hoe sterker het materiaal de golf vertraagt, des te meer de golf afbuigt. De maat hiervoor is de ‘brekingsindex’. Een brekingsindex van 1 betekent geen enkele breking; het Koreaanse materiaal heeft een maximale brekingsindex van 33,2.

In het relatief nieuwe vakgebied van ‘metamaterialen’ proberen onderzoekers de grenzen op te zoeken van wat mogelijk is met de breking van golven. Zo zijn er al metamaterialen gemaakt die golven de ‘verkeerde’ kant op laten breken. Veel ontwerpen van onzichtbaarheidsmantels maken daar gebruik van. Zie bijvoorbeeld dit nieuwsbericht op nwtonline.nl over een onzichtbaarheidsmantel voor geluid.

Een metamateriaal bestaat uit kleine elementen van ‘normaal’ materiaal. Door de speciale structuur van de elementen, zoals de I-vorm van de elementen van het Koreaanse materiaal, krijgt het metamateriaal totaal nieuwe eigenschappen. Het Koreaanse materiaal, ontworpen door Bumki Min en collega’s en gepubliceerd in Nature op 17 februari, laat golven tussen de 0,1 en 2 THz gewoon de normale kant op breken, maar de brekingsindex is veel hoger dan de brekingsindices van de materialen waar Mins metamateriaal uit is opgebouwd (aluminium, goud en polyamide).

Dunne onzichtbaarheidsmantel
Deze ‘onnatuurlijk hoge brekingsindex’ is onder andere van belang bij optische computerchips. Door het licht zeer sterk in snelheid te laten dalen, kan het een tijdje als het ware opgeslagen worden. Dat is nodig om het in chips te kunnen gebruiken. Mins materiaal werkt nog niet voor zichtbaar licht, maar volgens hem is het slechts een kwestie van technische problemen bij de fabricage oplossen om dit mogelijk te maken.

Min noemt ook de populaire onzichtbaarheidsmantels als potentiële toepassing van zijn metamateriaal. Onzichtbaarheidsmantels buigen golven om objecten op zo’n manier, dat het lijkt alsof het object er niet is. Maar die mantels hebben het probleem dat ze heel dik moeten zijn vergeleken met het te verbergen object. De hoge breking van Mins materiaal kan dit probleem verhelpen.

Floris Olsthoorn