Je leest:

Magneetveld drijft nanomagneetjes aan

Magneetveld drijft nanomagneetjes aan

Een team van wetenschappers bij FOM-instituut AMOLF is er voor het eerst in geslaagd om energieoverdracht tussen nano-elektromagneetjes aan te drijven met het magnetisch veld van licht. Deze doorbraak is van groot belang in de zoektocht naar magnetische ‘metamaterialen’ die lichtstralen in alle mogelijke richtingen kunnen afbuigen. Hiermee zou het mogelijk zijn perfecte lenzen te maken en op termijn zelfs ‘onzichtbaarheidsmantels’. De AMOLF-onderzoekers Ivana Sersic, Martin Frimmer, Ewold Verhagen en Vidi-laureaat en groepsleider Femius Koenderink publiceerden hun resultaten in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.

De onderzoekers bestudeerden kunstmatige metamaterialen die bestaan uit heel kleine U-vormige nanoringen van metaal. Het elektromagnetische veld van licht drijft ladingen heen en weer, en veroorzaakt daardoor een wisselstroom in elk U-tje. De kleine opening aan de bovenzijde van de ring zorgt er voor dat de stroom bij de frequenties van licht gaat rondzingen. Op deze manier is elke ring een klein maar sterk elektromagneetje waarvan de noord- en zuidpool 500 biljoen keer per seconde omkeren.

(Links) Huis-tuin-en-keuken staafmagneten hebben een noord- en een zuidpool: gelijke polen stoten elkaar af, terwijl ongelijke polen elkaar aantrekken. (Midden) Als met behulp van licht in 200 nanometer grote metalen U-ringetjes een op en neergaande kringstroom gemaakt wordt, gedraagt het U-ringetje zich als een staafmagneetje dat 500 biljoen keer per seconde van richting verandert. De polen liggen aan weerszijden voor en achter het U-tje. (Rechts) De onderzoekers hebben de interactie gemeten tussen U-ringetjes gerangschikt in roosters. De U-ringetjes in de elektronenmicroscopie foto zijn 200×200 nm groot (~ 1000 maal kleiner dan de dikte van een haar) .
Stichting FOM

Zeer sterke interactie

Door te meten hoeveel licht er door een dicht rooster van deze elektromagneetjes heen komt, deden de onderzoekers een belangrijke ontdekking. Het blijkt dat, als de kringstroompjes in gang zijn gezet door licht, de magneetjes elkaar ook beïnvloeden en kunnen aandrijven.

De onderzoekers tonen ook voor het eerst aan dat de interactie met het magneetveld van licht in deze nieuwe materialen zeer sterk is; net zo sterk als de interactie met het elektrisch veld in de beste ‘klassieke’ optische materialen. Met dit verbeterde begrip van de nanomagneetjes en hun interactie met licht hebben de onderzoekers alle ingrediënten in handen om licht in willekeurige banen te leiden. Dit maakt de ontwikkeling van perfecte lenzen en zelf onzichtbaarheidsmantels mogelijk.

Een metamateriaal is opgebouwd uit onderdeeltjes die samen op grotere schaal een structuur vormen. Door die structuur gedraagt het materiaal zich heel anders dan een massief stuk van dezelfde stof. Foto: J. Valentine et al

Snelle magneetvelden

Staafmagneten kennen we allemaal: het zijn zogeheten dipolen met een noordpool en een zuidpool, die de neiging hebben om elkaars tegenpolen aan te trekken, en gelijksoortige polen af te stoten. Ook weten we dat magneten zich, zoals een kompas, richten langs een magneetveld. Op deze manier kun je met magneetvelden magneten manipuleren, en andersom kun je met behulp van magneten controle uitoefenen over magneetvelden. Deze alledaagse intuïtie werkt bijzonder goed voor langzaam veranderende magneetvelden, maar niet voor zeer snel veranderende magneetvelden.

De bekendste metamaterialen zijn materialen met een zogenaamde negatieve brekingsindex. Een lichtstraal die op zo’n materiaal valt zal ‘de verkeerde kant op’ worden afgebogen, zoals in deze illustratie te zien is.
Keith Drake

Handicap voor optica

Licht is een elektromagnetische golf die bestaat uit een zeer snel op- en neergaand elektrisch veld en een bijhorend magneetveld. In principe kun je elektromagnetische golven naar believen sturen door zowel het elektrisch veld als het magneetveld van licht te manipuleren. Maar bij heel hoge frequenties van licht (500 THz, 500 biljoen trillingen per seconde) reageren atomen nauwelijks op magneetvelden. Hierdoor hebben normale materialen alleen controle over het elektrisch veld van licht, niet op het magneetveld. Dit betekent dat normale optica (lenzen, spiegels en glasfibers) moet werken met een handicap. Maar met kunstmatige ‘metamaterialen’ is deze controle dus wel mogelijk.

Voor zijn baanbrekende onderzoek ontving Femius Koenderink in 2006 een Veni uit de Vernieuwingsimpuls van NWO. Op dinsdag 24 november maakte NWO bekend dat hij nu ook een Vidi in de wacht heeft gesleept. Deze Vidi stelt Femius Koenderink in staat om zijn onderzoek voort te zetten.

Zie verder:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 november 2009

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.