Wetenschapsforum

Onderzoekers 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.

Een elektronenmicroscoopbeeld van het gefabriceerde metamateriaal. De zilver en siliciumnitride lagen zijn duidelijk zichtbaar als afwisselend lichte en donkere banden.


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 gemeten permittiviteit van een gelaagd Ag/SiN-metamateriaal als functie van golflengte. De permittiviteit is gemeten voor verschillende laagdiktes van het metamateriaal


Bron:

Fom


Publicatie:

Ruben Maas, et al.: Experimental realization of an epsilon-near-zero metamaterial at visible wavelengths