Fra glemsel til usynlighed

For ti år siden var den nu 78-årige russer Victor Veselago en af verdens mange ukendte fysikere og på vej til et liv som pensionist. I dag er han en levende legende, efterspurgt ved konferencer over hele Jorden - på grund af en 40 år gammel artikel.

Artiklen beskriver elektromagnetiske bølgers opførsel i en særlig type materialer, der ikke findes i naturen, og som ingen kunne forestille sig kunne fremstilles.

Veselagos nye position kan han takke englænderen John Pendry og amerikaneren David R. Smith for. Men de havde faktisk intet kendskab til Veselago og hans artikel, da de efter et tilfældigt møde for ni år siden fik sat skub i et af forskningens mest hotte områder i dag: metamaterialer.

"Meta" er græsk og betyder "efter" eller "ud over". Metamaterialer er en type af materialer, som på grund af deres indre opbygning har besynderlige elektromagnetiske egenskaber i forhold til de materialer, der findes i naturen.

Det gør det i princippet muligt at designe superlinser, der kan foretage perfekt billeddannelse, og fremstille usynlighedskapper i stil med den, som forfatteren J. K. Rowling lader Harry Potter skjule sig under, når han er på farefuld færd.

Superlinser kan bruges i forbindelse med læsehoveder til dvd-skiver, som gør det muligt at mangedoble den mængde information, som kan lagres på dvd?er og skiver baseret på den nye Bluray-teknologi. Metamaterialer kan også få stor betydning for design af mikroantenner, et område der bl.a. forskes i på DTU i et tværgående projekt mellem flere institutter under ledelse af professor Olav Breinbjerg.

Kemi eller struktur

Når en elektromagnetisk bølge, som eksempelvis en lysstråle, passerer gennem et materiale, vil elektronerne i materialets atomer eller molekyler føle en kraft, der sætter dem i bevægelse, og derved opsluger de en del af bølgens energi. Det forklarer eksempelvis, hvordan lys brydes, når det går fra luft til glas eller vand.

Egenskaberne har i princippet været kendt og forstået, siden den skotske fysiker James Clerk Maxwell i midten af 1800-tallet gav en matematisk fremstilling af teorien for elektromagnetiske bølger.

Teorien indeholder to afgørende materialeparametre, der beskriver, hvordan materialet reagerer på henholdsvis påvirkningen af det elektriske felt og det magnetiske felt. De kendes normalt ved de græske bogstaver epsilon og my.

I almindelighed er det materialets atomare eller kemiske sammensætning, der bestemmer dets elektromagnetiske egenskaber. Det er dog anderledes, hvis har man et materiale, som er opbygget med en periodisk struktur, der er mindre end bølgelængden. Så viser det sig overraskende, at det er strukturen, der bestemmer, hvordan den elektromagnetiske bølge opfører sig - ikke den atomare eller kemiske sammensætning alene.

Historien om metamaterialerne tager sit udgangspunkt på Imperial College i London i midten af 1990?erne, hvor John Pendry er professor i faststoffysik.

Han har gennem flere år samarbejdet med elektronikvirksomheden Marconi, bl.a. om at undersøge de elektriske og magnetiske egenskaber ved kulfibermaterialer. De kan bruges til absorption af radarsignaler - og derved til stealth-teknologi, der kan gøre fly og skibe usynlige på radarskærme.

På et tidspunkt får John Pendry interesse for teoretisk at undersøge materialer, der i stedet for kulfibre indeholder elektrisk ledende kobberfibre. Han opdager, at det i princippet er muligt at lave et materiale, der reagerer i modfase på et elektrisk felt - et materiale opbygget af tynde kobbertråde - og endnu mere overraskende et materiale indeholdende små opskårne kobberringe, der reagerer i modfase på et magnetisk felt.

Når Pendry selv skal forklare forskellen på materialer, der reagerer i fase og modfase på en ydre påvirkning, bruger han en analogi med en gynge på en legeplads. Skubber man gyngen langsomt frem og tilbage, reagerer den i fase med påvirkningen. Prøver man at skubbe hurtigt, kan gyngens sving og skubbet komme i modfase. Til sidst kan gyngen vælte personen, der skubber, omkuld.

Mødet i Laguna Beach

I januar 1999 er John Pendry inviteret til en konference i Laguna Beach i Californien for at berette om sin forskning. Blandt tilhørerne er David Smith fra University of California, San Diego. Han beslutter sig for at gøre Pendrys teori til virkelighed.

Allerede inden året er omme, er målet nået. David Smith har fremstillet det første materiale, der reagerer i modfase på både det elektriske og magnetiske felt. Han indsender en artikel til et af fysikernes mest prestigefyldte videnskabelige tidsskrifter, Physical Review Letters.

Her har man en benhård politik om kun at offentliggøre artikler, der virkelig er nyskabende. Og Smiths artikel finder ikke nåde. Artiklen bliver sendt retur med kommentaren om, at eksperimentet var meget simpelt og uinteressant.

Smith giver dog ikke op. Han finder Victor Veselagos artikel fra 1968 og opdager, at han har fremstillet det materiale, hvis egenskaber Veselago har studeret, men som han ikke troede fandtes.

Efter en kort omskrivning sender Smith artiklen tilbage til tidsskriftet. Der nu accepterer den. Artiklen udkommer 1. maj 2000, men inden da holder David Smith foredrag på et årsmøde i American Physical Society i Minneapolis 21. marts, og der udsendes en pressemeddelelse.

Nobelprismodtageren i kemi fra 1998 Walter Kohn er en af de første, der kommenterer Smiths forskning med ordene: »Det er et meget vigtigt resultat. Jeg vil være forbavset, hvis der ikke viser sig interessante anvendelser«.

Kritikken bryder ud

Hjemme i London har Pendry nu også fået kendskab til Veselagos gamle artikel.

Da han en søndag formiddag studerer Veselagos artikel fra 1968 og Maxwells ligninger for det elektromagnetiske felt, opdager han, at en blok af et metamateriale er en superlinse, der kan lave en perfekt afbildning. Til sin kone forklarer han, at det er en opdagelse, som betyder enten knald eller fald for ham.

På baggrund af fysikkens og optikkens love er det nemlig en almindelig antagelse, at den perfekte linse ikke eksisterer. En normal linse kan aldrig gengive detaljer, der er mindre end bølgelængden for lyset. Det hænger sammen med, at linsen kun afbilder det såkaldte fjernfelt og ikke nærfeltet, der indeholder de finere detaljer.

Men Pendry beregner, at hvis man anbringer et materiale med et brydningsindeks på -1 (et materiale hvor begge de to materialeparametre epsilon og my er negative) mellem genstand og billede, vil billedet være en nøjagtig kopi. Linsen overfører både fjernfelt og nærfelt. Kort fortalt så vil et brydningsindeks på -1 præcist ophæve luftens brydningsindeks på +1. Det argument var alle eksperter dog ikke villige til at acceptere.

Det er ikke ualmindeligt, at naturvidenskabelige forskere er uenige. Det skyldes, at forskning ofte er baseret på forskellige antagelser og teorier. Og uenighed er ofte det, som driver forskningen fremad.

Afbildning af genstande er en del af den klassiske optik og elektromagnetiske feltteori, om hvilken der ikke hersker diskussion. Her skulle man formode, at der ville være enighed.

Men det var der ikke. Den skarpeste kritik kom fra Rodger Walser fra University of Texas og Nicolas Garcia fra Madrid.

At forstå kritikken i detaljer kræver et indgående kendskab til Maxwells ligninger. Pendry mener i dag, kritikken opstod, fordi superlinsen intuitivt strider mod den gængse opfattelse af, hvordan elektromagnetiske bølger opfører sig. Det måtte påkalde sig en reaktion, er hans forklaring.

Fart på forskningen

De seneste år har en lang række eksperimenter af David Smith og andre forskere rundt omkring i verden dog bekræftet, at brydningen af lys og andre elektromagnetiske bølger sker, som Veselago og Pendry har forudsagt.

Den perfekte superlinse findes ikke endnu. Der er uvilkårligt tab i materialerne. Alligevel er linser opbygget med metamaterialer allerede i dag på mange måder bedre end almindelige linser.

Det er dog værd at bemærke, at både superlinser og usynlighedskapper opbygget af metamaterialer ikke virker over for alle elektromagnetiske bølger på samme tid. Hvad der måtte være skjult for synligt lys kan eksempelvis ses med mikrobølger og omvendt. Det skyldes, at materialeparametrene er frekvensafhængige.

I dag har Veselago, Pendry og Smith høstet mange anerkendelser og fået mange andre forskere til at studere metamaterialer. John Pendry og David Smith var eksempelvis blandt modtagerne af EU's største forskningspris Descartesprisen i 2005.

Alt dette var næppe sket, hvis David Smith ikke tilfældigvis havde hørt John Pendrys foredrag i Laguna Beach for ni år siden og efterfølgende havde bragt Veselagos gamle artikel frem i lyset.

Emner : Kemi