Mare Nummer 01     03 september 2009

01
Het zwarte materiaal waar Leidse natuurkundigen mee werken, is vele malen zwarter dan het invloedrijke kunstwerk Zwart vierkant (1915) van de Oost-Europese schilder Kazimir Malevich (1879-1935). Malevich wilde beeldende kunst radicaal terugvoeren tot vorm en kleur.
FOTO:
Zoeken naar het zwartste zwart
Natuurkundigen laten licht stuiteren in dunne schijfjes saffi er

Leidse natuurkundigen ontdekten dat een dun laagje niobiumnitride vrijwel al het licht absorbeert dat erop valt. Handig voor experimenten maar ook voor zonneboilers. ‘Wij dachten: dit moet al een keer gedaan zijn.’

DOOR BART BRAUN ‘Echt bijzonder ziet het er niet uit hoor’, waarschuwt Eduard Driessen. Uit een kastje op zijn lab pakt hij een doosje, met daarin iets dat eruit ziet als het glaasje van een zonnebril. Als je er recht opkijkt, kun je er doorheen kijken, maar als hij het kantelt, wordt het zwart. En niet zo’n beetje ook: dit is het zwartste materiaal op aarde.

Het is een dun schijfje van saffier met daarop een nog veel dunner laagje van de supergeleider niobiumnitride, van 4,5 nanometer dik. Ter vergelijking: een menselijke haar is ongeveer 70.000 tot 100.000 nanometers breed. Als je er het juiste soort licht op afstuurt, onder de juiste hoek, dan wordt 94 procent van dat licht door het schijfje geabsorbeerd. En dat is werkelijk ontzettend veel: de meeste zwarte dingen in uw omgeving kunt u zien omdat ze nog best veel licht weerkaatsen, en niet omdat ze een niet-reflecterend stukje in uw blikveld zijn.

Driessen en zijn begeleider Michiel de Dood waren toch al in het bezit van zulke saffier-niobiumnitrideschijfjes, omdat ze die wilden gebruiken om voor proeven waarbij ze de aanwezigheid van één enkel lichtdeeltje meten. ‘Dat proces verloopt in twee stappen’, vertelt Driessen. ‘Allereerst moet je detector dat deeltje daadwerkelijk opvangen, en niet doorlaten of weerkaatsen. Vervolgens moet je het feit dat dat is gebeurt ook nog meten. Naar die tweede stap was al heel veel onderzoek gedaan, en naar de eerste wat minder.’

Hij vervolgt. ‘Om uit te rekenen hoeveel licht je kunt meten, had ik een programmaatje geschreven. Daaruit bleek dat je best een absorptie van negentig procent of meer kan halen. Als je dat werkend kan krijgen, heb je ineens veel betere detectoren dan we nu gebruiken.’

Driessen: ‘Wij dachten, dit moet allang een keer gedaan zijn. De formules voor absorptie en reflectie zijn in de negentiende eeuw al opgesteld door de Franse opticus Augustin-Jean Fresnel. Maar gek genoeg bleek dat niemand dit ooit opgemerkt had.’

Wat het model correct voorspelde, was dat dunne schijfjes beter werken dan dikke. De waterlaag van het diepe zwembad weerkaatst niet meer licht dan het ondiepe, maar als het laagje niobiumnitride twee keer zo dik wordt gemaakt, gaat het juist wel meer licht weerkaatsen.

Wat gebeurt er? Het licht valt op het zwarte laagje. Een gedeelte wordt geabsorbeerd, en een gedeelte reist door de luttele nanometers heen naar de andere kant. Daar weerkaatst het, en dan aan de inkomende kant nog een keer, enzovoort, zodat het licht als het ware door het laagje heen stuitert.

Nu weet u nog van de natuurkundelessen op school dat we licht niet alleen kunnen voorstellen als een deeltje, de zogeheten fotonen, maar ook als golf. En golven kunnen elkaar versterken of uitdoven. Dat laatste is wat er gebeurt in een laagje niobiumnitride van 4,5 nanometer dik. In een dikker laagje wordt juist meer licht onderweg geabsorbeerd, zodat de golven van de tweede interne weerkaatsing te zwak zijn om die van de eerste uit te doven. Daarvan gaat dus een groter gedeelte weer naar buiten aan de kant waar het naar binnen kwam.

Een superdun materiaal dat vrijwel perfect licht absorbeert, kortom. De publicatie van de resultaten, in het vakblad Applied Physics Letters, trok wereldwijd de aandacht, mede vanwege de mogelijke toepassingen.

‘We hebben wel zitten brainstormen over hoe je het in zonnecellen zou kunnen toepassen’, vertelt Driessen. ‘Maar al het licht wordt nu omgezet in warmte. Je zou die warmte dan om moeten zetten in elektrische spanning, en dat is een probleem waarmee alle zonnecellen op dit moment kampen. Voor zonneboilers, waarbij de warmte direct gebruikt wordt, zijn ze misschien wel handig.’

Voorlopig ziet Driessen meer in de toepassing waarvoor hij het goedje überhaupt in huis had gehaald, namelijk apparaten waarmee je heel nauwkeurig fotonen kunt meten. Handig voor diverse natuurkundeproeven, of in de sterrenkunde, waar gewerkt wordt met heel erg zwakke lichtbronnen. Zijn schijfjes werken vooral heel erg goed in het infrarood. De huidige detectoren meten in dat gebied slechts enkele procenten van alle fotonen.

Driessen: ‘We hebben patent aangevraagd op onze ontdekking. Samen met de Delftse collega’s die het schijfje maakten, willen we nu laten zien dat dit ontwerp ook echt als detector toe te passen is.’ Maar voorlopig heeft hij nog iets anders aan zijn hoofd. Over drie weken hoopt hij op zijn onderzoek te promoveren.


Deel op Facebook

Tweet
Deel op Facebook