Welkom in Hogwarts: onderzoekers ontwerpen een onzichtbaarheidsmantel

Harry Potter heeft zijn onzichtbaarheidsmantel, en iedereen zal al wel eens gedacht hebben; "Was ik nu maar onzichtbaar". Helaas zijn wij dreuzels gebonden door de wetten van de fysica, en die laten dergelijke fantasietjes niet toe.

Er bestaan al wel een soort van onzichtbaarheidsmantels: onderzoekers hebben systemen ontworpen die licht rond een voorwerp buigen, en het op die manier onttrekken aan de waarneming. De meeste van die systemen zijn echter erg klein, en ze werken enkel in een zeer klein gamma van golflengten, wat hen voor de doorsnee waarnemer niet erg indrukwekkend maakt.

Nu heeft een team van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) een draagbare - in de zin van "eenvoudig te vervoeren", en niet een mantel die je kan aantrekken - onzichtbaarheidsmantel ontworpen, waarmee het demonstraties kan geven in klassen. Een mens kan de mantel niet verbergen, maar hij kan wel kleine voorwerpen doen verdwijnen zonder speciale apparatuur. 

Onderzoekers die licht willen ombuigen rond een voorwerp om het onzichtbaar te maken, moeten een manier vinden om te compenseren voor de langere afstand die het licht daardoor moet afleggen. Op een uitstapje kan je dat probleem oplossen door je snelheid aan te passen. Stel dat je van zin was de korte, schilderachtige weg over de bergpas te nemen, maar die is gesloten wegens lawinegevaar, dan kan je de langere snelweg rond de berg nemen en toch op het zelfde uur aankomen, door sneller te rijden.  

Maar jammer genoeg stelt licht meer uitdagingen dan een uitstapje met de auto: aangezien de relativiteit niet toelaat dat iets sneller gaat dan licht in een vacuüm, bestaat er geen manier om het omgebogen licht sneller te laten gaan in een vacuüm of in de lucht. 

Om die uitdaging het hoofd te bieden, vervaardigde het KIT-team zijn mantel uit een materiaal dat licht verstrooit. Door het licht te verstrooien, vertraagt het materiaal de snelheid waarmee de lichtgolven zich effectief door het medium verspreiden. Vervolgens kan het licht dan weer versneld worden om de langere afstand rond het voorwerp goed te maken.

In deze mantel wordt het voorwerp dat men wil verbergen, in een holle metalen cilinder geplaatst, die bedekt is met een laag acrylverf, die het licht op een diffuse manier weerkaatst, die het licht dus verstrooit in alle richtingen. De cilinder zit ingesloten in een blok polydimethylsiloxaan, een veel gebruikte organische polymeer, waaraan nanopartikels van titaniumdioxide zijn toegevoegd, die er voor zorgen dat het polymeer licht verstrooit.

"Onze mantel maakt gebruik van de veel lagere verspreidingssnelheid in een medium dat licht verstrooit", zei Robert Schittny, de leider van het onderzoeksproject. "Aangezien we ogenschijnlijk het licht overal vertragen, is het geen probleem om het in de mantel opnieuw te versnellen om te compenseren voor de langere weg rond de cilinder."

Als de gemiddelde tijd die het licht nodig heeft om door het polydimethylsiloxaan blok te geraken, in de juiste verhouding staat tot de tijd die het nodig heeft om door de mantel te geraken, zal de kern onzichtbaar worden.

De mantel kan gemakkelijk meegenomen worden naar klaslokalen, en het team hoopt dat hij gebruikt zal worden in klassen en laboratoria om studenten iets bij te brengen en enthousiast te maken over fysica. "Het is een macroscopische mantel die je met het blote oog kunt zien en kunt vasthouden", zei Schittny. "Met een redelijk sterke zaklamp in een niet al te fel verlichte klas, is het zeer gemakkelijk om de mantel te demonstreren. Dat betekent dat er geen ingewikkelde laboratoriumuitrusting nodig is, geen microscopen, geen verwerking achteraf van de gemeten data. Het effect is gewoon voor iedereen zichtbaar."

Het team zal de onzichtbaarheidsmantel op 12 mei demonstreren op de prestigieuze Conference on Lasers and Electro-Optics in San Jose in Californië. 

In een medium dat licht verstrooit, beweegt het licht zich voort via willekeurige banen, zoals te zien is onder het vergrootglas. Een normaal voorwerp (links) veroorzaakt een schaduw, een voorwerp met een onzichtbaarheidsmantel (rechts) niet. (Illustratie: R. Schittny/KIT)