Metaflater – gjør dere klare til en fotonisk revolusjon

De siste tiårs dramatiske teknologiutvikling innenfor nanoteknologi og simuleringsverktøy har ført til fremveksten av fagfeltet metaflater – det vil si nanostrukturerte optiske overflater som gir vilkårlig kontroll av alle lysets frihetsgrader: intensitet, fase, polarisering og dispersjon. På 15 år har denne økte friheten vist at det for eksempel er mulig å lage flate linser som er tynnere enn en bølgelengde, usynlighetskapper og høykvalitets-hologrammer. Metaflater spås som det neste steget i en pågående optisk revolusjon – hvordan kom vi hit, og hvordan ser fremtiden ut?

Av Christopher Dirdal, Hallvard Angelskår, Jo Gjessing, Zeljko Skokic, Aina Suphellen, og Paul Thrane ved Mikrooptikk-gruppa på SINTEF MiNaLab

Grunnlaget for metamaterialer lagt i 1865 ved en Skottes dristige formeltriksing

Lysets mystikk har fascinert mennesker til alle tider, men hva består den egentlig av? I 1865 gjorde den skotske vitenskapsmannen J.C. Maxwell en av naturvitenskapens største bragder – han oppdaget at lyset består av elektriske og magnetiske felt. For leseren med litt kjennskap til fysikk virker dette kanskje grunnleggende, men hvem ville egentlig ha trodd at solspillet i vannet under en vakker solnedgang har noe som helst til felles med strømmen vi har i stikkontakten og eller magneten vi har på kjøleskapet? Maxwell gjorde sin oppdagelse ved å legge til et matematisk ledd i Ampere’s formel om strømmer og magnetfelt, som sammen med Faraday’s formel om indusert spenning viste at elektriske og magnetiske felt er bølger som beveger seg med lysets hastighet. Siden man lenge hadde visst at lyset hadde en bølgenatur var det naturlig å tenke at det nettopp var lysets bestanddeler han hadde funnet. Maxwell var egentlig ikke ute etter å forstå lyset som sådann – han var egentlig kun ute etter å sikre ladningsbevarelse i Ampere’s lov og samstemthet med Coulomb’s lov om elektriske felt. At Maxwell kunne gjøre en oppdagelse av et slikt kaliber uten eksperimentelle observasjoner, men ved dristig (og nesten uforsvarlig!) matematisk triksing, er et argument for at naturen grunnleggende sett er matematisk. Senere skulle denne oppdagelsen også inspirere Albert Einstein til formuleringen av den generelle relativitetsteorien, som ble gjort på enda dristigere vis.

Antenner og trådløs teknologi

Maxwell’s oppdagelse viste at både UV, synlig og infrarød lys er elektromagnetiske bølger. Det samme gjelder radiobølger: Maxwell’s likninger viste at tidsvarierende strømmer i antenner sender av gårde en elektromagnetisk radiobølge som kan brukes til å sende signaler gjennom lufta. Dermed representerer Maxwell også startskuddet for den trådløse teknologien som gjennomsyrer vår moderne hverdag (mobiltelefoni, wifi og snart tingenes internet).

Men mange spår at Maxwell’s oppdagelse også vil ha flere dramatiske følger som vi først nå begynner å skimte konturene av.

Metamaterialer – barnet av Maxwell’s likninger og nanoteknologi.

På 1930-tallet forsket den sovjetiske Leonid I. Mandelstahm på noe bisarr lysoppførsel som Maxwell’s likninger så ut til å forutsi under spesielle omstendigheter. Mandelstahm postulerte at dersom man kunne finne medier hvor den elektriske og magnetiske responsen var negativ samtidig (dvs. det motsatte av det man ellers finner), ville lyset bevege seg i motsatt retning av energiretningen, og ville brytes i motsatt retning enn vanlig ved overganger. Du har kanskje lagt merke til at årene i en robåt ser ut til å endre retning når de settes i vannet? I Mandelstahm’s medier ville årene sett ut til å stikke rett opp i været! Problemet var bare at ingen slike medier så ut til å eksistere, og Mandelstahm’s teoretiske betraktninger vakte derfor ikke varig interesse. Sytti år senere, I år 2000, viste imidlertid forskeren David Smith og teamet hans i California at slike medier kunne lages ved hjelp av mikro- og nanoteknologi. Da forskeren Sir John Pendry i London senere samme året kunne vise at slike materialer kunne brukes til å lage en linse med ubegrenset oppløsning (en «super-linse») ble startskuddet satt for et nytt fagfelt kalt metamaterialer.

Metamaterialer er materialer med egenskaper langt utover det man finner i naturen.

Etter hvert som tiden gikk ble metamaterialene mer avanserte og resultatene mer imponerende, og i år 2006 skulle ting bli enda mer utrolig: Det ble vist teoretisk av både Pendry og Ulf Leonhardt ved Univeristy of St. Andrews i Scotland at metamaterialer kunne simulere sorte hull og bli brukt til å lage usynlighetskapper! Allerede samme året ble de første eksperimentelle verifikasjonene av slike gjort (dog ikke for synlig lys).

Noen utfordringer og veien videre

Driverne i utviklingen av metamaterialer har vært elektromagnetisk teori, nanoteknologi og i simuleringsverktøy. Men et problem som etter hvert gjorde seg mer og mer gjeldende er det faktum at metamaterialer generelt har høy lys-absorpsjon. Det begynner å se ut som om man ikke kan lage super-linser og usynlighetskapper som er gode nok når problemene med lysabsorpsjonen ikke kan løses. Litt luft gikk dermed ut av ballongen, og fagfeltet begynte å se etter nye muligheter. Rundt denne tiden ble Federico Capasso og teamet hans ved Harvard kjent for arbeidet deres med strukturerte overflate-metamaterialer (2D-metamaterialer) istedenfor bulk-metamaterialer (3D metamaterialer), som kunne brukes til å forme lysstrålen på nært vilkårlig vis. Dermed var startskuddet satt for neste fase av fagfeltet – nå kalt metaflater. Dette fagfeltet har mange likhetstrekk med diffraktiv optikk, men takket være de nye konseptene fra metamaterialene er det blitt vist at alle frihetsgradene til lyset (fase, polarisasjon, amplitude og dispersjon) kan kontrolleres nesten vilkårlig.

Metaflater spådd en enorm rolle

Det skal godt gjøres å overdrive betydningen av elektronikken for det moderne samfunnet. Elektriske kretser integrert i tynne kretskort finnes nær sagt overalt. På samme vis venter man nå på at integrerbar optikk skal føre til en fotonisk revolusjon, hvor metaflater er spådd en enorm rolle: Store, dyre og tunge optiske komponenter (som linser, filtere, og polarisatorer) kan erstattes av miniatyriserte, billige og lette metaflater laget ved hjelp av den samme silisium-teknologien som har muliggjort at elektroniske prosessorer kan masseproduseres. Videre kan man integrere flere optiske funksjoner i en og samme metaflate: for eksempel en metaflate som både fokuserer, filtrerer og polariserer.

Dette gjør at man kan tenke seg optikk til en langt lavere pris og på helt nye steder, for ekspempel på droner til klimamonitorering eller i kroppen for diagnostisering.

Ved SINTEF Mikrosystemer og Nanoteknologi i Oslo, har vi pågående flere prosjekter hvor vi ønsker å gjøre metaflatene tunbare: At vi skal kunne gjøre metaflatene bevegelige slik at de kan endre optiske egenskaper dynamisk.

Vi har tro på at metaflater kan være et viktig steg for utvikling av ny optisk sensorteknologi.