Hyperbolisch materiaal: licht dat de regels van de natuur lijkt te breken
Stel je een stapel extreem dunne laagjes voor, dunner dan de golflengte van licht: om en om een laagje metaal en een laagje glasachtig materiaal, zoals bladerdeeg maar dan duizend keer fijner. Licht dat hier doorheen probeert te gaan, "ziet" de afzonderlijke laagjes niet meer, maar ervaart iets vreemds: in de ene richting gedraagt het geheel zich als een doorzichtig materiaal, in de andere richting als een metaal. Die combinatie, die in de natuur vrijwel nooit voorkomt, noemen natuurkundigen een hyperbolisch materiaal.
De naam verwijst naar wiskunde: de manier waarop lichtgolven zich door een materiaal voortplanten, kun je tekenen als een meetkundige vorm. In gewone materialen, zoals glas of water, is dat een bol of ellips — licht verspreidt zich min of meer gelijkmatig alle kanten op, zoals rimpels op een vijver. In een hyperbolisch materiaal is die vorm een hyperbool: een open, oneindig doorlopende curve. Dat lijkt een abstracte wiskundige curiositeit, maar het heeft heel concrete gevolgen. Het materiaal kan namelijk lichtpatronen vasthouden en doorgeven die in gewone stoffen onmiddellijk uitdoven — en dat opent de deur naar onder meer camera's en microscopen die voorbij een fundamentele natuurkundige grens kunnen kijken.
Wat is het precies?
Om te snappen waarom dit zo bijzonder is, moet je weten hoe een materiaal licht "ziet". Elk doorzichtig of ondoorzichtig materiaal heeft een eigenschap die natuurkundigen permittiviteit noemen: een maat voor hoe sterk het materiaal reageert op een elektrisch veld, en dus op licht (licht is namelijk een golvend elektrisch en magnetisch veld). Bij gewone materialen is die permittiviteit in elke richting hetzelfde en positief. Bij metalen is de permittiviteit voor zichtbaar licht juist negatief, wat verklaart waarom metalen spiegelen in plaats van doorlaten.
Een hyperbolisch materiaal is kunstmatig zo gebouwd dat het in de ene richting een positieve permittiviteit heeft en in de andere richting een negatieve. Dat gebeurt niet met één homogene stof, maar door twee materialen — meestal een metaal en een isolator — in een patroon te combineren dat veel fijner is dan de golflengte van het licht dat je wilt beïnvloeden. Licht "middelt" dan als het ware de eigenschappen van beide materialen uit, maar omdat de structuur in de ene richting anders is dan in de andere, ontstaat er een sterk richtingsafhankelijk, ofwel anisotroop, gedrag. Dit soort kunstmatig ontworpen materialen met eigenschappen die je in de natuur niet vindt, valt onder de bredere term metamaterialen.
Er zijn twee gangbare bouwwijzen. De eerste is een gelaagde structuur van afwisselend metaal (bijvoorbeeld zilver of goud) en een diëlektricum, oftewel een isolerend materiaal (bijvoorbeeld titaniumoxide), met laagjes van typisch enkele tot enkele tientallen nanometers dik. De tweede is een array van piepkleine metalen naaldjes of draadjes, verticaal ingebed in een isolerende matrix, bijvoorbeeld poreus aluminiumoxide. Beide constructies dwingen licht om zich anders te gedragen naargelang de richting waarin het propageert.
Het praktische gevolg is dat golfpatronen met zeer fijne details — de zogeheten evanescente golven, die normaal gesproken binnen een fractie van de golflengte wegsterven — in een hyperbolisch materiaal wél kunnen blijven bestaan en zich zelfs kunnen voortplanten. Dat is de sleutel tot bijna alle toepassingen van dit materiaaltype.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het doorbreken van de zogeheten diffractielimiet. Dit is een natuurkundige grens, geformuleerd door de Duitse natuurkundige Ernst Abbe in de negentiende eeuw, die zegt dat een gewone lens nooit details kleiner dan ongeveer de halve golflengte van het gebruikte licht scherp kan afbeelden. Voor zichtbaar licht komt dat neer op ruwweg 200 tot 300 nanometer: kleinere structuren, zoals veel onderdelen van een cel of een geavanceerde computerchip, blijven met een gewone optische microscoop onzichtbaar.
Omdat hyperbolische materialen de fijne, snel wegstervende details van een lichtpatroon kunnen vasthouden en doorgeven, kunnen ze in principe dienen als een soort lens die wél voorbij die grens kijkt — een zogeheten hyperlens. Het idee is dat je zo optische microscopie mogelijk maakt met een scherpte die tot nu toe voorbehouden was aan elektronenmicroscopen, maar dan met de voordelen van licht: geen vacuüm nodig, minder schadelijk voor levend weefsel, en geschikt voor real-time beelden.
Daarnaast willen onderzoekers de zeer hoge dichtheid aan beschikbare lichttoestanden in hyperbolische materialen benutten om licht-materie-interacties te versterken. Concreet betekent dit dat een lichtbron, zoals een fluorescerend molecuul of een quantumdot, in de buurt van zo'n materiaal veel sneller en efficiënter licht kan uitzenden. Dat is nuttig voor gevoelige sensoren, voor lichtbronnen die losse fotonen produceren voor quantumtechnologie, en voor het compacter maken van optische chips.
Voorbeelden uit de praktijk
Het theoretische fundament werd gelegd door David R. Smith en David Schurig, die in 2003 in Physical Review Letters beschreven hoe golven zich gedragen in materialen met een zogeheten "indefinite" (onbepaalde) permittiviteitstensor — de wiskundige basis onder het hyperbolische gedrag.
In 2006 werkten Zubin Jacob, Leonid Alekseyev en Evgenii Narimanov (Purdue University) dit idee uit tot het concrete voorstel van een hyperlens, gepubliceerd in het vaktijdschrift Optics Express. Zij lieten zien dat een gekromde, cilindrische opbouw van metaal-diëlektricum-laagjes fijne details geleidelijk kan "uitrekken" tot een schaal die een gewone microscoop wél kan waarnemen.
Een jaar later, in 2007, demonstreerde de groep van Xiang Zhang (destijds UC Berkeley) in Science een werkend voorbeeld van zo'n vergrotende hyperlens, opgebouwd uit gebogen laagjes zilver en aluminiumoxide. Zij konden met zichtbaar/ultraviolet licht (rond 365 nanometer) structuren van ongeveer 130 nanometer zichtbaar maken, ruim voorbij wat een gewone lens bij die golflengte aankan.
Sinds ongeveer 2014 is gebleken dat de natuur zelf ook een hyperbolisch materiaal kent: hexagonaal boornitride (hBN), een kristal dat in het midden-infrarood van nature hyperbolisch gedrag vertoont dankzij trillingen in het kristalrooster (fononpolaritonen genoemd). Onderzoeksgroepen rond onder anderen Joshua Caldwell (Vanderbilt University) en D.N. Basov (Columbia University) gebruiken dit om licht op nanoschaal te sturen zonder de metaalverliezen van kunstmatige varianten.
Verder is er veel onderzoek naar hyperbolische metasurfaces — ultradunne, tweedimensionale versies van hetzelfde principe — voor toepassingen als biosensing, waarbij kleine hoeveelheden eiwitten of virussen via veranderingen in het lichtsignaal kunnen worden opgespoord, en naar thermische hyperbolische materialen die de manier waarop warmtestraling zich verspreidt kunnen beïnvloeden.
Hoe ver is de techniek?
Hyperbolische materialen zijn wetenschappelijk goed onderbouwd en experimenteel herhaaldelijk aangetoond, maar het gebied bevindt zich grotendeels nog in de onderzoeksfase. Er bestaan geen op grote schaal verkrijgbare hyperlens-producten; de meeste demonstraties zijn labopstellingen die specifieke, smalle golflengtegebieden en kleine gezichtsvelden aankunnen.
Het grootste obstakel is optisch verlies: de metalen componenten die nodig zijn om het hyperbolische gedrag te creëren, absorberen ook een deel van het licht als warmte. Bij natuurlijke materialen zoals hBN is dat verlies kleiner, maar dan ben je gebonden aan de smalle golflengtebanden waarin dat kristal van nature hyperbolisch is. Een tweede obstakel is fabricage: de laagjes of nanodraden moeten met nanometerprecisie en over grote oppervlakken gelijkmatig worden aangebracht, wat lastig en kostbaar is om op te schalen.
Toepassingen die minder afhankelijk zijn van beeldvorming over grote afstanden, zoals het versterken van lichtemissie vlak bij het materiaaloppervlak (voor sensoren of single-photon-bronnen), staan dichter bij praktische toepassing dan de hyperlens zelf. Op dat vlak zijn er de afgelopen jaren stapsgewijze verbeteringen gemeld, onder meer in combinatie met tweedimensionale materialen zoals grafeen. Een doorbraak naar commerciële producten is echter nog niet gerealiseerd, en het is oprecht onzeker hoe snel dat gaat gebeuren.
Wie werken eraan?
Purdue University in de Verenigde Staten geldt als een van de centra van dit onderzoeksveld, met groepen rond Vladimir Shalaev, Alexandra Boltasseva en Evgenii Narimanov die al sinds het begin van de jaren 2000 aan metamaterialen en hyperbolische structuren werken. Zubin Jacob, mede-auteur van het oorspronkelijke hyperlens-voorstel, heeft via Purdue en de University of Alberta (Canada) bijgedragen aan zowel de theorie als experimentele toepassingen.
De groep van Xiang Zhang, verbonden aan University of California, Berkeley en later ook de University of Hong Kong, is verantwoordelijk voor een van de bekendste experimentele demonstraties van de hyperlens. Onderzoek naar natuurlijke hyperbolische materialen zoals hexagonaal boornitride wordt onder meer getrokken door Joshua Caldwell (Vanderbilt University) en D.N. Basov (Columbia University), vaak in samenwerking met Europese groepen op het gebied van tweedimensionale materialen.
Daarnaast dragen onderzoeksinstituten in Europa en Azië bij, onder meer in het Verenigd Koninkrijk (waar het bredere veld van metamaterialen mede is vormgegeven door natuurkundigen als John Pendry van Imperial College London), in Duitsland, Zuid-Korea, China en Singapore. Financiering komt doorgaans van nationale wetenschapsfondsen zoals de Amerikaanse National Science Foundation en het Europese Horizon-programma, aangezien het onderzoek overwegend fundamenteel-wetenschappelijk van aard is en nog niet is overgenomen door grote commerciële partijen.