Verborgen orde in nanochaos maakt ontwerp van AR-lenzen veel sneller

Piepkleine bouwstenen die licht sturen

Metaoppervlakken zijn platte oppervlakken vol nanostructuren die kleiner zijn dan de golflengte van licht. Door de vorm, grootte en oriëntatie van elk nanostructuurtje net iets te laten variëren, kunnen onderzoekers bepalen hoe het oppervlak licht buigt, kleurt of bundelt. Dat principe ligt aan de basis van technologie zoals AR-brillen, extreem dunne metalenzen en hologrammen die los boven een vinger lijken te zweven.

Het probleem: zodra de nanostructuren stuk voor stuk verschillen, verdwijnt de herhaling in het patroon. Voor een regelmatig, periodiek patroon volstaat het om een klein stukje te berekenen om te voorspellen hoe het hele oppervlak licht verwerkt. Bij een onregelmatig patroon moet in theorie elke nanostructuur apart worden doorgerekend. Een metaoppervlak van een paar centimeter groot kan al meer dan een miljard nanostructuren bevatten. Dat maakt volledige computersimulaties bijzonder tijdrovend en dwong ingenieurs tot nu toe tot vereenvoudigde aannames of extreem zware berekeningen.

Een aanwijzing uit overlappende rasters

Het onderzoeksteam, onder leiding van professor Junsuk Rho en onderzoeker Seokwoo Kim van POSTECH, vermoedde dat ook een schijnbaar chaotische structuur een verborgen herhaling kan bevatten. De aanwijzing kwam van het moiré-effect: het grootschalige interferentiepatroon dat ontstaat wanneer twee vrijwel identieke rasters licht verschoven over elkaar liggen. Iedereen kent dat effect van twee lagen vitrage of muggengaas over elkaar.

De onderzoekers beschreven het basisrooster van een metaoppervlak en de extra aanpassingen die nodig zijn om licht te sturen als twee van zulke overlappende patronen. Met wiskundige berekeningen toonden ze aan dat er, onder specifieke voorwaarden voor hoek en afstand tussen de patronen, een grootschalig herhalend patroon ontstaat, ook al oogt de structuur op het eerste gezicht volkomen willekeurig. Er bleek een kleine, herhalende eenheid van slechts enkele tientallen nanostructuren te bestaan die model kan staan voor een oppervlak met meer dan een miljard nanostructuren. Simulaties die voorheen het hele oppervlak moesten doorrekenen, hoeven nu nog maar dat kleine stukje te analyseren.

Van rekenmodel naar werkend apparaat

Om de theorie te toetsen, bouwde het team daadwerkelijk metaoppervlakken en mat hoe deze licht verwerkten. De voorspelde richting van het licht kwam overeen met de metingen. De methode maakte het ook mogelijk om gewenst gestuurd licht scherp te onderscheiden van ongewenste verstrooiing en diffractie, waardoor de prestaties van een metaoppervlak sneller en nauwkeuriger te beoordelen zijn.

Omdat het onderliggende principe draait om golfbewegingen in het algemeen, verwachten de onderzoekers dat de aanpak niet beperkt blijft tot licht. Ook geluidsgolven, elektronen en mechanische trillingen zouden volgens dezelfde logica te analyseren zijn. Rho noemt de ontdekking daarom een krachtig gereedschap om de ontwikkeling van optische apparaten te versnellen, van AR- en VR-componenten tot geavanceerde metalenzen. De studie verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.