Transparante deeltjes met buitengewoon hoge brekingsindices kunnen bijna onzichtbaar worden bij golflengten die langer zijn dan de deeltjesgrootte, een door A*STAR geleide theoretische studie heeft aangetoond. De ontdekking daagt de geaccepteerde wijsheid uit rond de grenzen van lichtverstrooiing en zichtbaarheid, en zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse van 'onzichtbare' materialen.

De verstrooiing van zonlicht door gasmoleculen in de atmosfeer zorgt ervoor dat de lucht er blauw uitziet, waardoor we effectief kunnen zien wat anders een transparant medium zou zijn. Dit proces, bekend als Rayleigh-verstrooiing, treedt op wanneer moleculen of deeltjes kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat ze raakt. Het is al lang geaccepteerd dat alle deeltjes Rayleigh-verstrooiing ondergaan, en dat de minimale hoeveelheid verstrooiing optreedt wanneer de brekingsindex - een maat voor de 'traagheid' van licht dat door een medium gaat in vergelijking met een vacuüm - minder dan twee is. Water, lucht en glas voldoen allemaal aan deze voorwaarde, wat suggereert dat de Rayleigh-verstrooiing die de lucht blauw maakt de minst zichtbare toestand is die fysiek haalbaar is.

Boris Luk'yanchuk en collega's van het A*STAR Data Storage Institute, in samenwerking met onderzoekers van de Australian National University, hebben deze status-quo nu verstoord met de ontdekking dat Rayleigh-verstrooiing kan worden onderdrukt in transparante deeltjes bij golflengten die langer zijn dan de deeltjesschaal als hun brekingsindex buitengewoon hoog is.

"Er zijn veel pogingen gedaan om verstrooiing te verminderen, " zegt Luk'yanchuk. "Bijvoorbeeld, onderdrukking van de terugkaatsing van radarsignalen is uitgebreid bestudeerd als onderdeel van de ontwikkeling van stealth-technologie. Maar zelfs zeer kleine transparante deeltjes hebben een zekere mate van verstrooiing. We hebben een nieuw fenomeen kunnen onthullen dat kan worden gebruikt om ultratransparante optische materialen te ontwerpen."

Rayleigh-verstrooiing treedt op wanneer licht wordt geabsorbeerd door een molecuul - waardoor een scheiding van positieve en negatieve ladingen ontstaat die bekend staat als een elektrische dipool - en opnieuw wordt uitgezonden door de dipool met dezelfde energie. Dit kan op alle golflengten voorkomen, maar is efficiënter bij korte golflengten, daarom is de lucht meer blauw (korte golflengte) dan rood (lange golflengte).

"In onze theoretische studie ontdekten we dat voor materialen met een zeer hoge brekingsindex, de bijdrage van de elektrische dipool wordt verwaarloosbaar klein, " legt Luk'yanchuk uit. "Specifiek, we ontdekten dat de elektrische dipoolmodus in kleine deeltjes van dergelijke materialen wordt onderdrukt door de opkomst van een andere dipoolmodus, resulterend in ultrazwakke verstrooiing onder de Rayleigh-limiet. De uitdaging is nu om materialen te vinden of te ontwikkelen met een voldoende hoge brekingsindex bij de golflengte van belang om Rayleigh-verstrooiing te onderdrukken."