Metamaterialen zijn kunstmatige materialen met ongewone – zeg gerust: bizarre – elektromagnetische eigenschappen. Ze kunnen namelijk lichtstralen ombuigen en een andere richting op sturen. Vincent Ginis ontwierp een metamateriaal dat deeltjesversnellers aanzienlijk gevoeliger maakt.
Dankzij metamaterialen worden de vreemdste toepassingen mogelijk. Meest tot de verbeelding spreekt wellicht de onzichtbaarheidsmantel. Maar metamaterialen zijn ook nuttig in de detectoren van krachtige deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider in CERN (Genève) of de Tevatron in Fermilab (Chicago). ‘Bij elke deeltjesversneller maken wetenschappers voortdurend een afweging tussen de resolutie van de detector en de intensiteit van het licht dat een deeltje bij doorkomst in de detector produceert’, zegt Vincent Ginis, lichtonderzoeker of ‘fotonicus’ aan Harvard University. ‘Die resolutie dient vooral om het deeltje te identificeren aan de hand van z’n massa. Is het een elektron, een proton of iets anders? Een hoge intensiteit verzekert dat elke doorkomst (fysici spreken hier doorgaans van een ‘gebeurtenis’, red.) wordt opgemerkt. Helaas is een hoge resolutie in de hoge- energiefysica nefast voor een hoge intensiteit, en omgekeerd.’
Einsteins gereedschapskist
Ginis werkt in een vakgebied genaamd de transformatieoptica, dat nog maar bestaat sinds 2006. In dat jaar beseften enkele theoretici dat de wiskundige gereedschapskist om metamaterialen te kunnen ontwikkelen (en hun eigenschappen te simuleren) eigenlijk dezelfde is als die waarmee Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie honderd jaar geleden neerschreef. De algemene relativiteit beschrijft hoe zware objecten zoals sterren de tijdruimte vervormen en licht afbuigen.
In de transformatieoptica hebben onderzoekers als Ginis hetzelfde doel: lichtstralen van richting veranderen, niet met gigantische brokken materie maar met behulp van metamaterialen. ‘Wij laten gekromde metrieken, die we hebben ontleend aan de algemene relativiteit, los op de Maxwellvergelijkingen’, vertelt Ginis. ‘Zo bestuderen we welke elektromagnetische eigenschappen een materiaal moet bezitten om een lichtstraal een welbepaalde richting uit te sturen.’
Tsjerenkov-licht
Het licht dat de doorkomst en identiteit van een deeltje in een detector verraadt, is gewoonlijk Tsjerenkov-straling (zie ‘Sneller dan licht’). Precies dát licht wist Ginis te manipuleren door er een specifiek metamateriaal voor te ontwerpen – het wapenfeit dat hem een nominatie voor de Eos Pipet opleverde. Let wel: Ginis is een zuivere theoreticus. Samen met zijn coauteurs ontwikkelde hij het metamateriaal, een vernuftig staaltje nanotechnologie overigens, op papier en via computersimulaties. Ginis: ‘Al denk ik dat het zonder veel problemen kan worden gefabriceerd in een modern nanolab.’
Als een detector in een deeltjesversneller uitgerust zou zijn met het metamateriaal van Ginis, dan zouden zowel de resolutie als de lichtintensiteit hoog blijven. Medewerkers van CERN reageerden alvast enthousiast. ‘Ze waren erg positief over onze ontwikkeling. Ingenieurs vertelden me dat ze ons voorstel zullen meenemen als een nieuwe generatie detectoren binnen enkele jaren gepland wordt.’
Maar Ginis’ onderzoek heeft nog een andere mogelijke toepassing. In plaats van Tsjerenkov-licht te gebruiken om deeltjes te detecteren, kunnen fysici het metamateriaal ook aanwenden als lichtbron waarvan ze de straling ‘tunen’. ‘Tsjerenkov-straling is, naast onder meer diodes en lasers, een alternatieve manier om licht op te wekken. Het voordeel is dat het coherente bundels oplevert met frequenties waarvoor geen andere lichtbronnen bestaan. Je zou zo bijvoorbeeld een blauwe laser of een zogenoemde terahertzlaser kunnen maken. Iets wat met traditionele lichtbronnen zeer moeilijk is’, aldus Ginis.
Onthecht
Tegenwoordig werkt Ginis als postdoc aan Harvard. Het onderzoek naar metamaterialen om Tsjerenkov-straling te manipuleren is een uitvloeisel van zijn proefschrift aan de VUB. Bevalt het hem in het Amerikaanse Cambridge? ‘De academische omkadering is top: de collega’s zijn buitengewoon interessant, de apparatuur is stateof- the-art en de campus ademt creativiteit.’ Ginis getuigt ook van de minder positieve aspecten van de wetenschappelijke ratrace. ‘De huurprijzen in en rond Boston zijn volledig geëxplodeerd. Ik merk bij veel onderzoekers in mijn omgeving dat ze daarom compleet onthecht zijn. Het werk aan de universiteit is de enige focus.’
Sneller dan licht
Niets reist sneller dan het licht, toch? Inderdaad, al is dat wat kort door de bocht. Correcter: niets kan sneller reizen dan het licht in vacuüm.
De snelheid waarmee lichtgolven zich voortplanten is, net als bij geluid trouwens, afhankelijk van het medium waardoor ze bewegen. In het luchtledige bedraagt de lichtsnelheid om en bij de 300.000 kilometer per seconde – de absolute maximumsnelheid in het universum. Maar in water ligt de snelheidslimiet voor fotonen heel wat lager: 225.000 kilometer per seconde. Het gevolg is dat het voor materiedeeltjes wél toegelaten is om sneller dan het licht te reizen in water.
In de subatomaire fysica gebeurt dat geregeld. Net zoals we een luide knal horen als een vliegtuig door de geluidsmuur vliegt (en dus sneller gaat dan het geluid), zo produceren ook deeltjes die sneller dan het licht gaan een golf – een elektromagnetische. Dat effect wordt het Tsjerenkoveffect genoemd. Binnen in kernreactoren is het goed zichtbaar. Het overwegend blauwe Tsjerenkov-licht is het resultaat van elektronen die door de ‘lichtmuur’ knallen.
