Klein maar onzichtbaar

De meest wilde toekomstperspectieven deden de ronde, na de aankondiging van het onderzoek van Xiang Zhang in Nature en Science. De fictieve onzichtbaarheidsmantel van Harry Potter of de Invisible Man van schrijver H.G. Wells zouden van fictie werkelijkheid worden. Zelden sprak fundamenteel wetenschappelijk onderzoek zo tot de verbeelding. Is de doorbraak werkelijk zo groot?

“Ik ben verrast dat deze resultaten zo snel bereikt zijn”, zegt hoogleraar optica prof.dr. Paul Urbach van Technische Natuurwetenschappen desgevraagd. “Maar ik heb nog geen zicht op wanneer grotere objecten onzichtbaar gemaakt kunnen worden.” Urbach wijst erop dat het ‘onzichtbaar’ maken nu alleen op nanoschaal is toegepast.

Zhangs onderzoek voert terug op een legendarische ontdekking van theoretisch fysicus Sir John Pendry van het Londense Imperial College. “Tien jaar geleden werkte Pendry aan de Maxwell-vergelijkingen in een zeer lastige geometrie. Daarom veranderde hij de vorm naar een cilinder. Hij hoopte door de vorm eenvoudiger te maken, het probleem ook eenvoudiger te maken. Maar door de vorm te veranderen rek je het ene stuk uit en druk je het andere in elkaar, waardoor een heel gecompliceerd, inhomogeen en anisotroop materiaal ontstaat. Inhomogeen wil zeggen dat het materiaal van punt tot punt andere eigenschappen heeft.”

Dit in de natuur niet bestaande materiaal bleek tot Pendry’s verrassing de eigenschappen van onzichtbaarheid te hebben. De droom van onzichtbaarheid leek daarmee pardoes een stuk dichterbij. Maar een grote doorbraak was nog ver weg. “Omdat het materiaal inhomogeen moet zijn en de bouwsteentjes waaruit het wordt opgebouwd kleiner dan ongeveer een golflengte gedeeld door tien, is het moeilijk de materialen voor zichtbaar licht te maken”, benadrukt Urbach. “Het is de groep van Zhang gelukt om zeer kleine objecties met magnetische en elektrische eigenschappen op de schaal van een tiende golflengte, die bovendien allemaal een klein beetje verschillen, aan elkaar te zetten.”

Het licht van een lamp dat de cilinder belicht wordt niet gereflecteerd en ook niet geabsorbeerd door de cilinder. “In ieder punt buiten de cilinder is het elektromagnetische veld hetzelfde, als wanneer de cilinder er niet is.  Je kijkt daarom dwars door de cilinder heen”, legt Urbach uit. “Je kunt het materiaal ook nog zo in elkaar zetten dat als er een gat in de cilinder zit, het daar totaal donker is en er niet te zien valt wat er in zit, omdat het licht er perfect wordt uitgedoofd. Je zou er zelfs in kunnen staan.”

Maar de onzichtbaarheidsmantel is nog toekomstmuziek, waarschuwt Urbach. “Voordat je schaalvergroting kunt toepassen, moet er nog een hele hoop veranderen. Het materiaal is nu heel breekbaar en het werkt alleen bij een kleur. Maar het zal uiteindelijk wel lukken, al heb ik geen idee wanneer het zo ver zal zijn. Deze resultaten laten maar weer zien, dat het meestal eerder gebeurt dan je denkt.” (RV)