17 feb. 1999
2 minuten
Onderzoekers van het FOM-instituut Amolf en de University of Pennsylvania hebben een materiaal gefabriceerd waarin zichtbaar licht een bijna oneindige golflengte heeft. Het nieuwe materiaal is opgebouwd uit een stapeling van zilver en siliciumnitride nanolagen. Dit soort metamaterialen bieden kansen voor efficiëntere leds en optische componenten en circuits. Het onderzoek zal op 13 oktober 2013 verschijnen in Nature Photonics.
De fasesnelheid en de groepssnelheid van licht beschrijven samen de voortplanting van licht in een materiaal. De fasesnelheid bepaalt hoe snel de golven in het materiaal bewegen, de groepssnelheid hoe snel de energie van het licht zich voortplant. Einsteins wetten zeggen dat de energie van licht zich nooit sneller kan voortplanten dan de lichtsnelheid. De groepssnelheid kent dus een maximum. Er zijn echter geen fysische beperkingen voor de fasesnelheid. Als de fasesnelheid nul is, staan de toppen en dalen van de lichtgolf stil; is hij oneindig, dan neemt de golflengte zeer grote waarden aan. In de natuur komen materialen met zulke bijzondere eigenschappen echter niet voor.
Metamaterialen
Het onderzoeksteam presenteert nu een metamateriaal dat is opgebouwd uit bouwstenen die veel kleiner zijn dan de golflengte van het licht. Door lagen van zilver en siliciumnitride op de juiste manier op elkaar te stapelen, ontstaat een nieuw materiaal waarin het licht de eigenschappen van beide lagen ‘voelt’.
De manier waarop licht door materie reist, is afhankelijk van de permittiviteit van het materiaal: de weerstand van het materiaal tegen de elektrische velden van de lichtgolven. Omdat de permittiviteit van zilver negatief is en die van siliciumnitride positief, heeft het gecombineerde materiaal een permittiviteit die effectief gelijk is aan nul. Daardoor lijkt het alsof het licht geen weerstand ondervindt, en zich met een oneindige fasesnelheid voortplant. De golflengte van het licht is dan bijna oneindig.
De onderzoekers maakten dit materiaal door gebruik te maken van focusedionbeammilling. Met deze techniek kunnen wetenschappers de structuur van materialen op de nanoschaal controleren. Met een speciaal gebouwde interferometer bewezen de onderzoekers dat het licht zich in het metamateriaal inderdaad voortplant zónder dat de fase sterk verandert, dus met een oneindige golflengte. Het nieuwe materiaal kan toepassing vinden in optische componenten en circuits en voor het ontwerp van efficiëntere led’s.
Ruben Maas, James Parsons, Nader Engheta and Albert Polman, Experimental realization of an epsilon-near-zero metamaterial at visible wavelengths, Nature Photonics 7 (2013)
Anderen lazen ook
