Metamaterialen kunnen magische dingen – ooit maken ze je onzichtbaar

‘Als je je veiligheidsbril opzet dan zet ik de laser aan”, zegt promovendus Rene Barczyk van het Amsterdamse onderzoeksinstituut Amolf. We staan in een lab met tafels vol meetapparaten, spiegeltjes, lenzen, kabels en andere apparatuur. De brillen beschermen onze ogen, mocht er laserlicht ontsnappen.

Het experiment dat Barczyk gaat demonstreren is het manipuleren van licht met een zogeheten metamateriaal, in dit geval een metaoppervlak. Metamaterialen zijn kunstmatige materialen met eigenschappen die in de natuur niet voorkomen. Die eigenschappen danken ze niet aan hun chemische samenstelling maar aan hun slim ontworpen structuur.

Het moderne onderzoek naar metamaterialen is nauwelijks twintig jaar oud, maar groeit razendsnel. Dat je de eigenschappen van metamaterialen naar je hand kunt zetten met een slim ontwerp maakt namelijk dingen mogelijk die enkel weggelegd leken voor tovenaars en sciencefiction. In theorie is er bijvoorbeeld een metamateriaal mogelijk dat functioneert als de onzichtbaarheidsmantel uit de boeken en films over Harry Potter of de cloaking-apparatuur die in Star Trek starships aan het zicht onttrekt.

Designer atomen

Zo ver zijn de huidige metamaterialen nog niet, maar ze krijgen wel al een magisch tintje. Zo presenteerden Amerikaanse fysici vorige maand in Nature Physics een spiegel met een meta-oppervlak dat bij het weerkaatsten van licht, de tijd omdraait. Dat is alsof je een echoput het woord ‘hallo’ roept en dat terugkomt als ‘ollah’.

Toepassingen van metamaterialen waar Amolf-onderzoekers aan werken, zijn onder meer een miniatuurlaser voor op een chip en passieve – en daardoor energiezuinige – beeldherkenning. Ook ontwikkelen ze metaoppervlakken die zonnecellen efficiënter maken door licht op een slimme manier terug de zonnecel in te kaatsen.

Naast het manipuleren van licht en andere elektromagnetische golven, zoals radiogolven, bestaan er inmiddels ook metamaterialen voor andere soorten golven, zoals geluidsgolven of mechanische trillingen. „De methode is zo algemeen dat het werkt voor alle soorten golven”, zegt hoogleraar Ewold Verhagen van Amolf.

Zo zijn er Amolf-onderzoekers die kijken naar akoestische metamaterialen voor spraakherkenning en werken anderen aan mechanische metamaterialen die gek reageren op druk, met toepassingen in zachte robots en schokdemping.

John Pendry stelde twintig jaar geleden iets onvoorstelbaars voor: een perfecte lens

Femius Koenderink hoogleraar

Hoe metamaterialen eruitzien hangt af van de toepassing. Ze variëren van de dunne, nauwelijks zichtbare metaoppervlakken voor lichtmanipulatie, tot drumvelletjes van een paar millimeter groot die reageren op geluid en plastic blokken die onnatuurlijk reageren op druk en iets weg hebben van Rubiks kubus.

Wat ze gemeen hebben is dat ze ontworpen en opgebouwd zijn uit bouwstenen genaamd designeratomen of metaatomen. Bij optische metaoppervlakken zijn dat structuurtjes van enkele nanometers (miljoensten van een millimeter) die, net als computerchips, gemaakt worden uit silicium in clean-rooms met uiterst precieze lithografie en etstechnieken.

De lastigste en belangrijkste stap van het maken van een metamateriaal is het ontwerp van de bouwstenen en de structuur waarin je ze rangschikt. „Door ervaring en natuurkundige kennis weten we ongeveer wat voor structuur we nodig hebben voor een bepaalde toepassing”, vertelt Amolf-onderzoeker Andrea Cordaro. „Vervolgens doen we simulaties in de computer om te testen of het werkt voordat we het gaan bouwen. We doen ook aan inverse design, waarbij we de computer vertellen welk resultaat we willen. De computer berekent dan hoe het oppervlak eruit moet zien om dat voor elkaar te krijgen.”

Perfecte lens

In het lab waar ik net mijn veiligheidsbril heb opgezet, werken onderzoekers aan metamaterialen voor zogeheten fotonica, die bepaalde rekentaken van elektronica moeten gaan overnemen. Met licht kun je met de lichtsnelheid rekenen. En omdat het nauwelijks warmte genereert is het energiezuiniger. Barczyk: „Ons doel is om licht in onderdelen te persen die op een chip passen en te controleren hoe licht in een chip beweegt.”

Barczyk wijst naar de opstelling: het laserlicht reist nu door deze kabel en wordt gefocust op het metaoppervlak in dit doosje.” Dankzij een camera kunnen we op een computerscherm volgen wat er gebeurt. „Een deel van het licht wordt gevangen in het metaoppervlak”, vervolgt Barczyk. „De minuscule structuur van dat oppervlak zorgt ervoor dat het licht precies door een door ons ontworpen kanaaltje beweegt.” Op het scherm zie ik inderdaad een smalle lichtbundel keurig een rechte lijn over het oppervlak volgen. Barczyk: „We kunnen het licht zelfs scherpe hoeken om laten gaan, zonder dat er verliezen optreden.”

Als we later het plaatje met het metaoppervlak bekijken, dan wordt het duidelijk hoe klein de structuur is. Je ziet enkel een glanzend oppervlakje waarvan de kleur verandert als je het heen en weer beweegt. „Daarin zit de lichtsturende nanostructuur die bestaat uit een patroon van repeterende zeshoekjes (de meta-atomen) die elk bestaan uit driehoekige gaatjes. Het patroon aan de rechterkant van het oppervlak verschilt licht van het patroon links: de driehoekjes staan rechts wat verder bij elkaar vandaan dan links”, vertelt Barczyk. Beide patronen zorgen ervoor dat er geen licht door het materiaal kan bewegen. Maar als je de twee patronen aan elkaar plakt, dan kan het licht wel over de grens tussen de twee bewegen. Die grenslijn vormt een kanaal waar je het licht gecontroleerd doorheen kunt sturen.

De volgende stappen zijn complete beeldherkenning en classificatie

Albert Polman hoogleraar

Het zaadje voor het metamaterialenonderzoek van Amolf werd geplant door de Britse theoretisch fysicus John Pendry. „Hij stelde twintig jaar geleden iets onvoorstelbaars voor: een perfecte lens”, vertelt Femius Koenderink, hoogleraar en werkzaam bij Amolf. Dat is onvoorstelbaar omdat geen enkele conventionele lens een perfect scherpe afbeelding kan maken. Voor die perfecte lens had Pendry een materiaal nodig met een onvoorstelbare eigenschap, namelijk een negatieve brekingsindex.

Een brekingsindex vertelt hoe een materiaal licht buigt of ‘breekt’. Alle bekende, natuurlijke materialen hebben een positieve brekingsindex, wat betekent dat licht verschuift, maar wel ongeveer dezelfde richting aanhoudt, zoals een rietje in een glas water dat onder water verschoven lijkt. Bij een negatieve brekingsindex zou het licht wel van richting veranderen. Een rietje lijkt dan onder water kromgebogen.

Hoewel het in de natuur niet lijkt voor te komen, staan de natuurwetten een negatieve brekingsindex wel toe. Dat motiveerde onderzoekers om ermee aan de slag te gaan. Met succes. In 2001 bouwden twee Amerikaanse natuurkundigen van metalen ringetjes en draadjes een metamateriaal met een negatieve brekingsindex voor microgolfstraling. Inmiddels bestaan er verschillende ‘metalenzen’, die werken voor allerlei soorten elektromagnetische straling, waaronder zichtbaar licht.

Onzichtbaarheidsmantel

„Een paar jaar na Pendry’s idee kwamen theoretici met het voorstel van een onzichtbaarheidsmantel van metamateriaal”, vertelt Koenderink. Dat metamateriaal zou licht om een te verhullen object heen buigen. Daardoor zie je het achterliggende en niet het object zelf. Het is als een rotsblok waar een rivier zo omheen stroomt dat je stroomafwaarts niet meer aan de stroming kunt ziet dat er een rots ligt. Dat is mogelijk met metamaterialen die dankzij hun gekke brekingsindices het licht in elke willekeurige richting kunnen buigen.

„Het nadeel van de eerste metamateriaal-ontwerpen was dat ze bestonden uit metalen structuren”, vertelt hoogleraar Albert Polman van Amolf. „Metalen absorberen namelijk licht. Als je daarmee een onzichtbaarheidsmantel zou maken, dan zie je door die absorptie de mantel zelf.”

Dat probleem wisten fysici op te lossen door geen dikke driedimensionale metamaterialen te maken, maar metaoppervlakken, die zo dun zijn dat ze nauwelijks licht absorberen. Die licht manipulerende metaoppervlakken bleken al snel nog meer toepassingen te hebben, zoals razendsnel en energiezuinig rekenen met licht.

En die onzichtbaarheidsmantel? Een mens of voertuig compleet onzichtbaar maken lukt (nog) niet. Maar er zijn metamaterialen in ontwikkeling, bijvoorbeeld voor militaire toepassingen, die specifieke elektromagnetische golven, zoals radiogolven, kunnen afbuigen waardoor een object niet opvalt op radarmetingen.

Zo presenteerden Cordaro en Polman met collega’s in 2019 een metaoppervlak waarmee je randen van objecten, zoals gebouwen en mensen, in een afbeelding kunt detecteren. Dat is een belangrijke stap in beeldherkenning.

Dat meta-oppervlak bestaat uit een slim ontworpen structuur van siliciumdeeltjes van enkele duizendsten millimeters groot. Daarop schijn je het beeld dat je wilt analyseren, bijvoorbeeld camerabeeld van een zelfrijdende auto. Vervolgens kaatst het licht in de structuur dusdanig gecontroleerd rond dat er aan de andere kant een plaatje uitkomt dat alleen de randen van de objecten weergeeft. Deze randherkenning is efficiënter en energiezuiniger dan die van een computer.

Het is lastig te voorspellen wat er precies mogelijk is

Ewold Verhagen hoogleraar

„De volgende stappen zijn complete beeldherkenning en classificatie”, vertelt Polman. „Classificatie houdt in dat het metaoppervlak bijvoorbeeld kan bepalen of een situatie zo gevaarlijk is dat een auto moet stoppen. Dan zou er bij gevaar licht aan de ene kant uit kunnen komen en aan de andere kant als er geen gevaar is.”

Uiteindelijk is het doel dat berekeningen met licht ook andere energieslurpende taken van computers overnemen. Daarom demonstreerden dezelfde Amolf-onderzoekers eerder dit jaar een metaoppervlak dat wiskundig complexere berekeningen, genaamd matrixinversies, kan oplossen Cordaro: „Metaoppervlakken zullen geen complete computer vervangen. Ik zie meer een hybride systeem voor me waarbij je een aantal taken, zoals beeldherkenning, met licht doet voordat je het omzet naar een elektrisch signaal.”

Elke berekening vergt nu namelijk een apart ontworpen metaoppervlak. Er wordt wel gewerkt aan manieren op een metaoppervlak met stroom of licht te veranderen, waardoor er meer berekeningen mogelijk zijn. Maar de flexibiliteit van software lijkt niet haalbaar.

„Het is lastig te voorspellen wat er precies mogelijk is”, zegt Verhagen. „De metamaterialen waar we nu aan werken hadden we twintig jaar geleden niet kunnen bedenken. Misschien werken we over twintig jaar aan toepassingen die zelfs sciencefictionschrijvers zich nu nog niet kunnen voorstellen.”