NRC Handelsblad 14-12-2002

Sandwich van koper en piepschuim bundelt microgolfstraling

Met een stapeltje koperplaten met een patroon van 5 millimeter grote graten, en daartussen piepschuim, zijn eenvoudig en compact microgolven te bundelen, zonder dat er schotelantennes aan te pas komen. Franse onderzoekers ontwierpen dit `metamateriaal' (Physical Review Letters, 18 nov).

Het metamateriaal dankt zijn bijzondere eigenschappen aan de uitzonderlijk lage brekingsindex, bijna nul, voor de gebruikte microgolfstraling. Dat houdt in straling van een bron binnenin het materiaal, die in alle richtingen straalt, bij het uittreden gebundeld wordt in één richting. De onderzoekers maten een kegelvormige bundel met een spreiding van nog maar tien graden.

Behalve voor het bundelen van microgolven, bruikbaar voor zendantennes in de telecommunicatie, zouden met hetzelfde principe ook een richtantennes gebouwd kunnen worden, die alleen straling uit een bepaalde richting oppikt. Zulke ontwerpen zouden compacter en eenvoudiger kunnen zijn zijn dan de nu gebruikte antenneschotels, denken de onderzoekers. Nog volledig hypothetische metamaterialen voor zichtbaar licht zouden een nieuwe klasse van lenzen kunnen opleveren met bijzondere eigenschappen, maar vereisen wel veel kleinere, lastiger te maken, afmetingen.

Voorlopig zijn natuurkundigen echter nog vooral gefascineerd door de exotische eigenschappen en mogelijkheden van metamaterialen, regelmatige geordende constructies van metaal en isolerend materiaal. Voor licht van bepaalde golflengen gedragen metamaterialen zich als een homogeen materiaal, maar wel een materiaal met een bijzondere brekingsindex die in gewone materialen niet voorkomt.

De brekingsindex bepaalt, volgens de wet van Snellius, wat voor knik een lichtbundel maakt bij het intreden van het materiaal. Voor normale materialen ligt de brekingsindex altijd boven de één, zodat een schuin invallende bundel binnen in het materiaal minder schuin loopt. Het effect wordt gebruikt in lenzen om licht te bundelen, en veroorzaakt ook de schijnbare knik in een rietje dat half in de limonade steekt. Maar als de brekingsindex kleiner is dan één, wordt de hoek tussen bundel met het oppervlak kleiner: de bundel gaat in het materiaal nog schuiner lopen. Omgekeerd gaat een straal die zo'n metamateriaal verlaat juist minder schuin lopen: de stralen lopen dicht er langs de loodlijn op het oppervlak. Dat is het bundelende effect dat de onderzoekers beschreven.

Eerder zijn metamaterialen met een negatieve brekingsindex beschreven, die zouden kunnen dienen als `superlenzen' voor microgolfstraling: lenzen die ook details vergroten die kleiner zijn dan de golflengte van het waargenomen licht, die normaal gesproken een limiet is aan het oplossend vermogen van microscopen of telescopen. Overigens zijn theorie en experimenten met negatieve brekingsindices nog omstreden

(c) Bruno van Wayenburg