Meta-atoom: het bouwsteentje dat licht naar believen buigt

Een meta-atoom is geen atoom in de scheikundige zin, maar een kunstmatig, minuscuul bouwsteentje dat samen met duizenden soortgenoten een metamateriaal of metasurface vormt. Elk meta-atoom is veel kleiner dan de golflengte van het licht (of andere elektromagnetische straling) waarmee het moet werken, en heeft een vorm die zorgvuldig is ontworpen: een piepklein ringetje, staafje, kruisje of zuiltje van metaal of glasachtig materiaal. Door zulke vormpjes in een precies patroon te herhalen, kunnen onderzoekers oppervlakken maken die licht laten buigen, spiegelen of bundelen op manieren die met gewoon glas of metaal onmogelijk zijn.

Een goede analogie is een mozaïek van piepkleine spiegeltjes en lensjes, elk net iets anders van vorm, die samen een schilderij vormen dat je vanaf een afstand als één vloeiend beeld ziet. Bij een meta-atoom werkt dat net zo: elk afzonderlijk bouwsteentje verandert de golf die erlangs komt een heel klein beetje — een tikkeltje vertraging hier, een beetje polarisatiedraai daar — en het totaalpatroon van al die kleine aanpassingen bepaalt wat er met het licht gebeurt. Zo kun je een compleet platte plak materiaal, dunner dan een blad papier, laten werken als een lens, een hologram of zelfs een soort onzichtbaarheidsmantel.

Wat is het precies?

Licht en andere elektromagnetische golven reageren normaal gesproken op materialen via hun atomaire en moleculaire opbouw: glas buigt licht omdat de elektronen in de glasmoleculen op een bepaalde manier trillen als er licht doorheen gaat. Een meta-atoom doet iets vergelijkbaars, maar dan kunstmatig en op een veel grotere schaal dan een molecuul — meestal tussen enkele tientallen nanometers en een paar micrometer groot, dus nog altijd duizenden keren kleiner dan een millimeter.

De vorm van het bouwsteentje bepaalt hoe het resoneert, vergelijkbaar met hoe de vorm van een stemvork bepaalt welke toon hij laat klinken. Door de vorm te veranderen — dikker, dunner, langer, gedraaid, met een split erin — kunnen onderzoekers instellen welke golflengte het meta-atoom het sterkst beïnvloedt en hoeveel vertraging (faseverschuiving) het aan de doorgaande golf meegeeft.

Meta-atomen worden gemaakt van twee hoofdcategorieën materiaal. Metallische meta-atomen (goud, zilver, aluminium) resoneren sterk maar verliezen relatief veel energie als warmte. Dielektrische meta-atomen (silicium, titaandioxide, siliciumnitride) zijn transparanter en verliezen minder energie, waardoor ze de laatste tien jaar de voorkeur krijgen voor optische toepassingen.

Zet je duizenden van deze bouwsteentjes in een tweedimensionaal rooster op een plat oppervlak, dan krijg je een metasurface: een ultradun oppervlak dat licht net zo kan sturen als een gebogen lens, maar dan vlak. Zet je ze in een driedimensionale structuur, dan spreekt men van een metamateriaal, met eigenschappen zoals een negatieve brekingsindex — iets wat in de natuur niet voorkomt en licht als het ware “de verkeerde kant op” laat buigen.

Wat wil men ermee bereiken?

Het belangrijkste doel is het vervangen van dikke, gebogen, zware optische onderdelen door platte, lichte, goedkoop te produceren alternatieven. Een traditionele cameralens bestaat uit meerdere gebogen glazen elementen die licht in de juiste focus brengen; een metalens kan in theorie hetzelfde doen met een enkele, haarfijn dunne plak.

Daarnaast willen onderzoekers functies bereiken die met natuurlijke materialen simpelweg niet bestaan: negatieve breking, superlenzen die scherper zien dan de klassieke diffractielimiet toestaat, of oppervlakken die inkomend licht bijna volledig om een object heen leiden (de basis van onzichtbaarheidsonderzoek). Ook polarisatie en golffront kunnen met meta-atomen tot in detail worden vormgegeven, wat nuttig is voor sensoren, camera's en communicatietechniek.

Een derde drijfveer is miniaturisatie en integratie: een metasurface kan direct op een chip of sensor worden aangebracht, wat interessant is voor smartphones, medische scopen, LiDAR-systemen in zelfrijdende auto's en toekomstige 6G-antennes, waar ruimte en gewicht schaars zijn.

Voorbeelden uit de praktijk

Split-ring resonatoren (John Pendry, Imperial College London, 1999) — Pendry beschreef theoretisch hoe kleine metalen ringen met een split erin een kunstmatige magnetische respons kunnen geven die in gewone materialen niet voorkomt. Dit werk legde de theoretische basis voor het hele vakgebied metamaterialen.

Eerste experimenteel metamateriaal met negatieve brekingsindex (David Smith, Duke University, 2000-2001) — Smith en collega's bouwden op basis van Pendry's ideeën het eerste werkende metamateriaal dat microgolven negatief brak, een demonstratie die wereldwijd veel aandacht kreeg.

Gegeneraliseerde wet van Snellius (Federico Capasso, Harvard University, 2011) — In een invloedrijk artikel in Science toonden Capasso en collega's aan dat een rij meta-atomen met geleidelijk oplopende faseverschuiving licht kan buigen op hoeken die de klassieke natuurkundewet van Snellius niet voorspelt. Dit werk zette de deur open voor praktische “platte optica”.

Metalenz (spin-off van Harvard, commercieel product vanaf 2021-2022) — dit bedrijf, mede opgericht door onderzoekers uit Capasso's groep, brengt metasurface-lenzen op de markt die met bestaande chipfabrieken (samen met partner STMicroelectronics) in serie worden geproduceerd. De technologie wordt onder meer gebruikt in 3D-gezichtsherkenning en industriële sensoren.

Metasurface-LiDAR voor zelfrijdende voertuigen en robotica (Lumotive, vanaf ongeveer 2020) — dit Amerikaanse bedrijf gebruikt herprogrammeerbare meta-atomen (op basis van vloeibare kristallen) om laserstralen elektronisch te sturen zonder bewegende spiegels, wat LiDAR-sensoren kleiner en robuuster moet maken.

Hoe ver is de techniek?

Het fundamentele onderzoek naar meta-atomen loopt inmiddels ruim vijfentwintig jaar en is wetenschappelijk goed onderbouwd: de natuurkunde achter resonantie, faseverschuiving en negatieve breking is uitgebreid experimenteel bevestigd. De stap naar commerciële producten is recenter en nog beperkt. Metalenz heeft laten zien dat metasurface-optica op wafer-schaal, met standaard halfgeleiderapparatuur, geproduceerd kan worden — een belangrijke doorbraak, want eerdere metasurfaces werden vaak met trage, dure elektronenbundeltechnieken gemaakt.

Toch blijven er duidelijke obstakels. De meeste metalenzen werken nog het best bij één specifieke golflengte; licht van verschillende kleuren tegelijk scherp door één plat oppervlak sturen (kleurcorrectie, oftewel “achromatisch” ontwerp) is technisch lastig en kost vaak resolutie of lichtopbrengst. Metallische meta-atomen hebben last van energieverlies, en zelfs de betere dielektrische varianten zijn bij grote oppervlaktes en hoge lichtintensiteit nog niet altijd even efficiënt als klassieke lenzen. Herprogrammeerbare of “actieve” meta-atomen, die van eigenschap kunnen wisselen via elektrische spanning, warmte of licht, staan over het algemeen nog in een vroeger, meer experimenteel stadium dan de statische varianten.

Kortom: voor specifieke, beperkte toepassingen (zoals infraroodsensoren voor gezichtsherkenning) is de techniek al marktrijp; voor bredere toepassingen zoals volwaardige cameralenzen voor consumentenfotografie is verdere ontwikkeling nodig.

Wie werken eraan?

Academisch is de Verenigde Staten sterk vertegenwoordigd: Harvard University (de groep van Federico Capasso), Duke University (David R. Smith en het Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics) en Purdue University (Vladimir Shalaev en Alexandra Boltasseva, actief op het gebied van plasmonica en dielektrische meta-atomen) behoren tot de pioniers. In het Verenigd Koninkrijk blijft Imperial College London, de thuisbasis van John Pendry, een centrale rol spelen in de theoretische onderbouwing van het vakgebied.

China heeft de afgelopen tien jaar een zeer grote hoeveelheid publicaties en octrooien op dit terrein geproduceerd, met actieve groepen aan onder meer Fudan University en de Chinese Academy of Sciences. Zuid-Korea is relevant via Samsung, dat metasurface-technologie test voor gebruik in smartphonesensoren. In Europa werkt onder andere het Deense NIL Technology aan productieprocessen voor metasurfaces, en zijn er onderzoeksgroepen actief bij onder meer de TU Delft en diverse Duitse Max Planck-instituten.

Op het commerciële vlak is Metalenz (VS) op dit moment het meest zichtbare bedrijf met een daadwerkelijk in productie zijnd product, in samenwerking met chipfabrikant STMicroelectronics. Lumotive (VS) richt zich specifiek op metasurface-gebaseerde LiDAR voor automotive en robotica.

Verder lezen

• Metalenz — officiële site van een van de eerste bedrijven met commerciële metasurface-optica
• Nature — vakblad met regelmatig baanbrekende publicaties over metamaterialen en metasurfaces
• Science — publiceerde onder meer het invloedrijke artikel van Capasso e.a. over de gegeneraliseerde wet van Snellius
• Optica — internationale vakvereniging voor optica en fotonica, met tijdschriften en achtergrondmateriaal over platte optica
• Imperial College London — instituut van metamaterialenpionier John Pendry