Vänsterhänta material

Ett hett område inom fysiken de senaste åren är vänsterhänta material (left-handed material, LH) eller metamaterial. Det är en term som dyker upp då och då i samband med tal om perfekta linser och osynlighet.

Ett vänsterhänt material är, enkelt uttryckt, ett material med negativt brytningsindex, n. Brytningsindex är definierat som n²=εμ, där ε är permittiviteten, som beskriver hur elektriska fält rör sig i materialet, och µ permeabiliteten som är responsen för magnetiska fält. De flesta optiska material är icke-magnetiska och har µ nära 1. ε är positivt och n är definierat som positivt*. Ogenomskinliga material har ett brytningsindex med en stor imaginär del, som är ett mått på absorption/spridning. Det beror på att ε och µ har olika tecken.

I slutet på 1960-talet lanserade den sovjetiske fysikern Victor G. Veselago idén om att ett material som hade både ε och µ mindre än noll skulle vara transparent för ljus och negativt brytningsindex. Ett sådant material skulle ha en rad intressanta egenskaper. Blanda annat skulle det bryta ljut åt ”fel håll”. Dessutom skulle ljusets energirikting och utbredningsriktning vara motsatta. (Härav ordet vänsterhänt; energin följer en vänsterhandsregel jämtemot elektiska och magnetiska fälten istället för den vanliga högerhandsregeln.)

LH-material sågs länge som en akademisk kuriositet, inga riktiga material hade ju den egenskapen. Det visade sig dock att man kunde skapa så kallade metamaterial, som är uppbyggda av periodiska arrayer av andra material. Dessa kunde skräddarsys så att de har en effektiv negativ permittivitet och permeabilitet inom ett smalt våglängdsområde. Det första experimentella beviset för negativt brytningsindex presenterades i Science¹ år 2001. Metamaterialet bestod av en uppsättning koppar-spolar och –remsor på en plasthållare. Det visade tydligt negativt brytningsindex för mikrovågor vid ca 10 GHz (λ=3 cm). Men problemet är att tillverka metamaterial för kortare våglängder. Periodiciteten i materialet måste vara mycket mindre ljusets våglängd, något som är svårt när våglängden bli kort. Under de senaste åren har man arbetat sig ner mot kortare och kortare våglängder, och förra året rapporterade en tysk grupp om negativt n vid 780 nm².

I och med att metamaterialen har visat att negativa brytningsindex inte är science fiction har intresset för eventuella tillämpningar ökat. Bland dem finner vi alltså cloaking devicen.

* Eftersom n²=εμ --> n = ± (εμ)^1/2 har man valt ett positivt värde som standard.

¹ Experimental Verification of a Negative Index of Refraction, R. A. Shelby et al. Science 292, 77 (2001)
² Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength,G. Dolling et al., Opt. Lett. 32, 53 (2007).

Andra bloggar om: vetenskap, fysik, metamaterial, optik.

UPPDATERING: Det funkar tydligen dåligt att använda < som "mindre än" i vissa kombinationer. En del av texten försvann. Nu är den tillbaka.