Je leest:

Licht te kort door de bocht?

Licht te kort door de bocht?

Auteur: | 15 juli 2003

Verander een plus- in een minteken en gegarandeerd dat je berekening misgaat. Dat was in 1968 ook de reactie op het werk van de Rus Victor Veselago. Die rekende de vergelijkingen voor elektromagnetisme door met minnen in plaats van plussen en voorspelde wel héél interessante materialen.

Materiaal met de negatieve brekingsindex van Veselago zou bijvoorbeeld licht de ‘verkeerde kant op’ laten buigen. Of licht sneller dan het licht laten reizen. Onzin, zeiden natuurkundigen, en velen zeggen dat nog steeds – ook is Veselago’s negatieve brekingsindex volgens sommigen echt waargenomen.

Dat je een voorspelling uit een formule kunt laten komen is heel mooi, maar de échte test is natuurlijk om een verschijnsel echt aan te tonen. Veselago zelf dacht, dat de benodigde materialen met negatieve permittiviteit en permeabiliteit (getallen die aangeven hoe goed een materiaal elektrische en magnetische velden geleidt) pure fictie waren. Maar in 1996 liet theoretisch natuurkundige John Pendry zien hoe je een reeks koperen ringen en draden kunt gebruiken om zulk materiaal toch te maken.

Zo ziet Pendry’s bouwsel van ringen en draden er in het echt uit. Dit metamateriaal heeft een negatieve brekingsindex voor straling in het microgolfgebied. bron: W.J. Padilla / UCSD

Als een bundel microgolven – zoals al het licht een reeks elkaar beïnvloedende elektromagnetische golven – op Pendry’s bouwsel valt, reageren de draden en ringen op de velden in de bundel. Het samenspel beïnvloedt de bundel zó, dat het geheel als materiaal met negatieve brekingsindex werkt. Zo’n opstelling noemt men een metamateriaal.

Als water een negatieve brekingsindex zou hebben, zou dat er zo uitzien. Normaal licht gehoorzaamd aan de zogenaamde rechterhandregel, die aangeeft hoe je uit de richting van elektrisch en magnetisch veld de richting van het licht krijgt. Materiaal met negatieve brekingsindex heeft een andere regel, waarbij je de linkerhand gebruikt. bron: Universiteit van Texas

Proef op de som

Pendry’s recept is in 2000 gebruikt door Sheldon Schultz and David Smith van de universiteit van Californië in San Diego. Zij bouwden de opstelling in het bovenstaande plaatje en lieten zien dat de bundel microgolven inderdaad werd gebroken zoals Veselago voorspeld had. Dat opende de weg naar hele interessante toepassingen, zoals de ‘perfecte lens’. Een lens van normaal materiaal kan licht niet fijner bundelen dan één golflengte. Een lens met een negatieve brekingsindex kan dat wel, door lichtgolven te versterken die in een normaal materiaal uitdoven. Deze ‘evanescente’ (‘verdampende’) lichtgolven worden veroorzaakt door kleine schommelingen in het elektrische veld rond atomen. Omdat zo’n veld geen magnetisch deel heeft, kan het zich normaal gesproken niet als licht voortplanten en blijft het onzichtbaar.

De perfecte lens zou een geweldige vondst zijn. Zo’n lens, gemaakt van metamateriaal met negatieve brekingsindex, zou de evanescente lichtgolven versterken en bundelen op de plek van het ‘gewone’ beeld. Het resultaat: een oplossend vermogen dat volgens Pendry wel honderd maal beter is dan normale lenzen. Je zou een atoom echt kunnen zien in zichtbaar licht, bijvoorbeeld. Nu is dat alleen mogelijk met licht van veel kortere golflengte.

Licht in de verkeerde richting?

Het metamateriaal van Schultz en Smith valt niet alleen op door zijn afwijkende lichtbreking. De negatieve permittiviteit en permeabiliteit zorgen ook dat lichtgolven in het materiaal de ‘verkeerde’ kant op reizen. Als je een steen in water gooit, zie je de golven van de steen weglopen. In het metamateriaal gebeurt het omgekeerde: de waterrimpels zouden daarin naar de steen toe bewegen.

Om dat te begrijpen moet je je bedenken dat een lichtbundel een optelsom is van golven met allerlei verschillende golflengtes. Die doven elkaar op de meeste plekken uit, maar op bepaalde punten versterken ze elkaar. Dat is zo’n zichtbare waterrimpel. Zo’n rimpel beweegt in een normaal materiaal in dezelfde richting als de energie in de bundel. In het metamateriaal beweegt de energie nog steeds in dezelfde richting, maar de rimpel waar de golven elkaar versterken gaat precies de andere kant op. Het is te vergelijken met sommige files: die bewegen zich tegen het verkeer in, terwijl de auto’s allemaal in de rij-richting bewegen.

Onenigheid

Niet iedereen is het met de berekeningen van Veselago en Pendry eens. Nicolas Garcia and Manuel Nieto-Vesperinas van het Consejo Superior de Investigaciones Cientificas in Madrid zeggen bijvoorbeeld dat Pendry geen rekening heeft gehouden met absorptie van licht in het lensmateriaal. Of die evanescente golfjes nou versterkt worden of niet, volgens hen worden ze altijd weer uitgedoofd door het materiaal van de lens.

De perfecte lens is niet het enige twistpunt: het duo uit Madrid en ook Prashant Valanju en zijn groep van de universiteit van Texas zeggen dat negatieve breking helemaal niet mogelijk is. Het verschijnsel zou namelijk betekenen dat licht soms sneller dan licht kan reizen. Einstein’s relativiteitstheorie verbiedt dat uitdrukkelijk. garcia en Nieto-Vesperinas hebben een eigen experiment gedaan, waarin ze de resultaten van Schultz en Smith reproduceren. Maar wel, merken ze fijntjes op, met een materiaal waarvan de brekingsindex gewoon positief is. Het waargenomen effect wordt volgens hen dan ook niet veroorzaakt door de brekingsindex, maar door de vorm van het blok materiaal. Het kan niet als een verrassing komen, dat Smith weer zegt fouten gevonden te hebben in het experiment van de Madrilenen.

Een oplossing?

Het debat over de zin en onzin van negatieve breking is nog niet beslist. Beide kanten blijven nieuwe resultaten publiceren en aanvallen waarin het verschijnsel wordt aangetoond. Pendry, bijvoorbeeld, heeft onlangs computersimulaties gepubliceerd die aantonen dat negatieve breking de lichtsnelheid níet schendt. Volgens hem wordt de golf weliswaar versneld, maar dat gebeurt pas nadat er een oponthoud aan het grensvlak is overwonnen. Rodger Walser, een collega van Valanju maar geen betrokkene bij het debat, hoopt dat het geschil op de oude manier wordt opgelost: door onderzoek en zorgvuldige controle van resultaten door andere experts in het veld. Over één ding is iedereen het al eens: het debat levert een schat aan informatie over de aard van licht op!

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 juli 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.