Brekingsindex: het getal dat bepaalt hoe licht buigt – en hoe technologie dat nu naar de hand zet
Steek een rietje in een glas water en het lijkt geknikt. Dat optische effect heet breking, en de mate waarin het gebeurt wordt vastgelegd in één simpel getal: de brekingsindex. Elk doorzichtig materiaal heeft zo'n getal, van lucht en water tot glas, diamant en de kunstmatige materialen die onderzoekers tegenwoordig zelf ontwerpen. Hoe hoger de brekingsindex, hoe sterker licht van richting verandert wanneer het de stof binnengaat, en hoe langzamer het licht zich erin voortbeweegt.
Lange tijd was de brekingsindex vooral een gegeven van de natuur: je kon kiezen uit de materialen die er waren en daar je lenzen, brillen of camera's mee bouwen. De laatste decennia is dat aan het veranderen. Door materie op een schaal kleiner dan de golflengte van licht te structureren, kunnen wetenschappers de brekingsindex van een materiaal grotendeels zelf bepalen, tot en met exotische waarden die in de natuur niet voorkomen. Dat opent de deur naar platte lenzen zo dun als een postzegel, efficiëntere glasvezels en, in het meest tot de verbeelding sprekende geval, materialen die licht om een voorwerp heen leiden.
Wat is het precies?
Licht plant zich in het luchtledige voort met de bekende lichtsnelheid van zo'n 300.000 kilometer per seconde. In een ander medium, zoals water of glas, gaat licht langzamer, omdat het voortdurend wisselwerkt met de atomen van dat materiaal. De brekingsindex (aangeduid met de letter n) is simpelweg de verhouding tussen de lichtsnelheid in vacuüm en de lichtsnelheid in dat materiaal. Lucht heeft een brekingsindex van ongeveer 1,0003 (vrijwel gelijk aan vacuüm), water zit rond 1,33, gewoon vensterglas rond 1,5 en diamant, met zijn kenmerkende schittering, heeft een hoge waarde van 2,42.
Wanneer licht van het ene naar het andere medium overgaat, verandert de snelheid abrupt, en dat zorgt voor de bekende knik: de brekingswet, ontdekt door de Nederlandse wiskundige Willebrord Snellius in de zeventiende eeuw, beschrijft precies hoeveel een lichtstraal buigt op basis van de brekingsindices aan weerszijden van het grensvlak. Dit simpele principe ligt aan de basis van elke lens: door glas een gebogen vorm te geven, buigt het licht op de juiste manier om een beeld scherp te stellen.
Het nieuwe aan moderne technologie is dat de brekingsindex niet langer alleen een vaste materiaaleigenschap hoeft te zijn. Door oppervlakken te bedekken met patronen van nanostructuren, kleiner dan de golflengte van het licht dat erop valt, kunnen ingenieurs plaatselijk bepalen hoe sterk en op welke manier licht wordt vertraagd en gebogen. Zulke kunstmatig ontworpen materialen heten metamaterialen, en in extreme gevallen kan hun effectieve brekingsindex zelfs negatief worden: licht buigt dan de verkeerde kant op ten opzichte van wat de natuurwet bij gewone stoffen voorschrijft.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is compactheid en controle. Een gewone cameralens bestaat vaak uit meerdere gebogen glazen elementen die samen een paar centimeter dik zijn, nodig om kleurfouten en vervorming te corrigeren. Als je de brekingsindex van een oppervlak punt voor punt kunt ontwerpen, kun je in theorie hetzelfde optische effect bereiken met een vlak laagje van een fractie van een millimeter dik. Dat is aantrekkelijk voor alles wat klein moet zijn: smartphonecamera's, chips voor gezichtsherkenning, brillen voor augmented reality (AR) en sensoren voor zelfrijdende auto's.
Een tweede doel is het efficiënter en zuiniger sturen van licht binnen chips en glasvezels, essentieel voor datacenters en telecommunicatie die steeds meer data via licht in plaats van elektrische stroom verplaatsen. Een derde, meer speculatieve ambitie is het manipuleren van licht zo drastisch dat het om een voorwerp heen wordt geleid in plaats van erop te weerkaatsen: de zogeheten onzichtbaarheidsmantel. Dat idee spreekt tot de verbeelding, maar de praktische toepassingen liggen vooralsnog eerder bij radar- en microgolftechniek dan bij het zichtbaar maken van Harry Potter-achtige capes.
Voorbeelden uit de praktijk
De theoretische basis werd al in 1967 gelegd door de Russische natuurkundige Victor Veselago, die berekende wat er zou gebeuren als een materiaal een negatieve brekingsindex zou hebben. Omdat zulke materialen niet in de natuur voorkomen, bleef het decennialang een gedachte-experiment.
Rond de eeuwwisseling veranderde dat. De Britse natuurkundige John Pendry (Imperial College London) ontwierp theoretische structuren, waaronder zogeheten split-ring resonators, die de benodigde eigenschappen konden nabootsen. Kort daarna, in 2000-2001, toonden David Smith en Sheldon Schultz aan de University of California San Diego experimenteel aan dat zo'n metamateriaal daadwerkelijk negatieve breking vertoonde, weliswaar voor microgolven en niet voor zichtbaar licht.
Deze doorbraak leidde tot een bekend experiment aan Duke University in 2006, waar onderzoekers (opnieuw met betrokkenheid van David Smith) een cilindervormige mantel van metamateriaal bouwden die een object voor microgolfstraling grotendeels onzichtbaar maakte. Het was een indrukwekkend proof-of-concept, maar beperkt tot één smalle golflengteband en niet tot licht dat het menselijk oog kan zien.
In het zichtbare-lichtspectrum ligt de nadruk inmiddels minder op onzichtbaarheid en meer op platte lenzen. De groep van Federico Capasso aan Harvard University publiceerde in 2016 een veelgeciteerd artikel over metalenzen die zichtbaar licht scherp konden stellen met een oppervlak dat vlak is in plaats van gebogen. Uit dat onderzoek kwam het bedrijf Metalenz voort, een spin-off van Harvard, die sindsdien werkt aan het commercieel geschikt maken van deze technologie voor onder meer 3D-sensing in consumentenelektronica.
Hoe ver is de techniek?
Sommige toepassingen van brekingsindex-manipulatie zijn allang volwassen technologie. Glasvezelkabels, de ruggengraat van internet, werken al decennia doordat de kern van de vezel een net iets hogere brekingsindex heeft dan de omhullende laag, waardoor licht door totale interne reflectie binnen de vezel blijft. Ook GRIN-lenzen (gradient-index lenzen), waarbij de brekingsindex geleidelijk varieert binnen één stuk materiaal, worden al jaren gebruikt in endoscopen en glasvezelverbindingen.
De nieuwere metaoptica, met kunstmatig ontworpen nanostructuren voor zichtbaar licht, bevindt zich in een overgangsfase tussen laboratorium en markt. Metalenzen zijn technisch aangetoond en worden door bedrijven als Metalenz al ingezet in specifieke, kleinschalige toepassingen, maar grootschalige vervanging van gewone cameralenzen in bijvoorbeeld smartphones is er nog niet. Belangrijke obstakels zijn chromatische aberratie (metalenzen werken van nature het beste bij één golflengte, terwijl camera's het volledige zichtbare spectrum moeten verwerken), lichtverlies door de nanostructuren, en de uitdaging om deze structuren betaalbaar en op grote schaal te fabriceren met bestaande chipmachines.
Onzichtbaarheidsmantels voor zichtbaar licht blijven vooral fundamenteel onderzoek. De natuurkundige beperkingen zijn stevig: om een breed kleurenspectrum over een groot oppervlak onzichtbaar te maken zonder merkbare vervorming of verlies, moeten metamaterialen aan tegenstrijdige eisen voldoen. Onderzoekers zijn eerlijk over deze grenzen; van een dagelijks bruikbare, betaalbare onzichtbaarheidsmantel is voorlopig geen sprake, en het is onzeker of dat ooit praktisch haalbaar wordt.
Wie werken eraan?
Op fundamenteel niveau blijven Imperial College London (de erfenis van John Pendry) en Duke University belangrijke centra voor metamaterialenonderzoek. Aan de kant van metalenzen en metaoptica is de School of Engineering and Applied Sciences van Harvard University, met Federico Capasso, toonaangevend, samen met onderzoeksgroepen aan onder meer Purdue University in de Verenigde Staten, waar wetenschappers als Alexandra Boltasseva en Vladimir Shalaev zich richten op plasmonica en metamaterialen.
Aan de commerciële kant is Metalenz, de Harvard-spin-off, het meest zichtbare bedrijf dat metalenstechnologie naar de markt probeert te brengen, met samenwerkingen in de halfgeleiderindustrie om productie op chipfabrieken mogelijk te maken. Ook grotere spelers in optica en beeldsensoren volgen deze ontwikkelingen op de voet, al is precieze informatie over interne onderzoeksprogramma's van bedrijven als Samsung of Zeiss op dit vlak niet altijd publiek. Onderzoek naar metamaterialen en metaoptica gebeurt daarnaast breed verspreid over universiteiten in de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, China, Zuid-Korea en de Europese Unie, vaak met steun van nationale onderzoeksfondsen en defensiegerelateerde instanties vanwege toepassingen in radar en sensortechniek.