Materialwissenschaft
Licht kann um die Ecke strahlen

Forscher entwickeln Metamaterialien, die mit den Gesetzen der Optik brechen und sogar Gegenstände unsichtbar machen. Damit rücken Tarnkappen, die Flugzeuge und Menschen unsichtbar machen können, in den Bereich des Möglichen.

Um etwas unsichtbar zu machen, müsste das Licht einen Bogen machen, den Körper umfließen, statt von ihm reflektiert zu werden. Bislang war ein solches ungewöhnliches Lichtbrechungsverhalten kaum mehr als ein interessantes Gedankenexperiment, das nur in der Theorie funktionierte.

Deutsche und amerikanische Forscher konnten in jüngster Zeit jedoch künstliche Metamaterialien herstellen, die diese Eigenschaft tatsächlich besitzen. Die Nanotechnik macht es möglich.

Das ist ein Bruch mit gängigen Gesetzen der Optik, die lange als weithin abgeschlossene Wissenschaft galt. Licht bewegt sich geradeaus und wird, wenn es etwa aus der Luft in Wasser oder Glas eintritt, zum Lot hin gebrochen. Daher erscheint ein Strohhalm im Wasserglas abgeknickt. Physiker sprechen von einem positiven Brechungsindex. Metamaterialien hingegen zeichnen sich durch eine negative Brechung aus. Effekt: Der Teil des im Wasserglas eingetauchten Strohhalms würde, um beim Beispiel zu bleiben, im Extremfall verschwinden, da der Lichtstrahl über das Lot hinaus gebrochen wird - eine solche negative Brechung gibt es in der Natur nicht.

Ein Fall, den die Physik eigentlich nicht vorsieht, denn natürliche Stoffe zeigen ein solches Brechungsverhalten nicht. Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, Materialien herzustellen, die bei normalem Tageslicht diesen Effekt zeigen. Neuartige filigrane Nanostrukturen ermöglichen nun, die elektromagnetischen Wellen des Lichts gewissermaßen um die Ecke zu lenken.

Unter Laborbedingungen klappte das bisher ganz gut. Allerdings waren die Metamaterialien für sichtbares Licht bisher noch zu grob strukturiert oder verschluckten zu viel davon. Extrem dünne, gewissermaßen zweidimensionale Schichten minderten dieses Manko, was aber dazu führte, dass die für praktische Anwendungen nötige Ablenkung des Lichts in drei Dimensionen, wie es etwa für Linsen erforderlich ist, nicht möglich war.

Nun ist es einem Forscherteam um Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart gelungen, dreidimensionale Metamaterialien für den optischen Wellenlängenbereich herzustellen, wie es in der Fachzeitschrift "Nature Materials" verkündete. Das könnte der Durchbruch für praktische Anwendungen sein.

"Wir können Flächen mit kleinsten Strukturen aus Gold, die stets kleiner als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung sein müssen, zu einem räumlichen Material stapeln", erklärt Giessen. Diese Nanotapeten sind also mit einem winzigen Muster kleiner Hufeisenformen oder auch Ring- oder L-Formen aus Gold versehen, die elektromagnetische Schwingungen erzeugen. "Entscheidend ist, wie die Materialien untereinander gekoppelt und gegeneinander verdreht werden." Den jeweiligen Formen liegen komplexe Berechnungen zugrunde, die sich daran orientieren, wie für die jeweilige Anwendung das Magnetfeld einer Lichtwelle verändert und eine negative Brechung erzeugt werden soll. Damit rücken praktische Anwendungen in greifbare Nähe.

Eine davon könnte die sogenannte Superlinse sein, die schon im Jahr 2000 theoretisch von dem Londoner Physiker John Pendry beschrieben wurde. Aus dem dreidimensionalen Metamaterial lässt sich möglicherweise solch eine flache, negativ lichtbrechende Linse herstellen, die die elektromagnetischen Wellen derart bündelt, dass eine bisher nicht gekannte Auflösung möglich wird.

Auch für die Computerbranche ist das interessant: Mit der neuen Optik könnten allerkleinste Strukturen auf Mikrochips aufgebracht werden, was deren Performance kräftig erhöhen würde. Optische Lesegeräte wie CD-Laufwerke könnten mit Superlinsen ebenfalls zu neuen Leistungsspitzen geführt werden, da bis ins Kleinste vollgepackte Datenträger ausgelesen werden könnten.

Außerdem könnten Antennen und Radargeräte durch Metamaterialien verbessert werden, berichtet Thomas Bertuch vom Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg: Richtantennen ließen sich durch Metamaterialien auch unter widrigen Bedingungen zielgenauer machen. Denn Radio- und Funksignale sind wie Licht elektromagnetische Wellen. "Der Einsatz der Technologie in aktuellen kommerziellen und militärischen Kommunikations- und Radarsystemen wäre ohne weiteres sofort möglich", sagt Bertuch. "Wir haben unter anderem eine neuartige Antenne entwickelt, die durch Frequenzveränderung ihre Blickrichtung elektronisch verändern kann."

Eine mögliche Anwendung, die besonders fürs Militär attraktiv sein dürfte, sind echte Tarnkappen, die etwa Flugzeuge und Menschen unsichtbar machen sollen. Denn Metamaterialien können Licht um Objekte herumleiten, wie Wasser um einen Brückenpfeiler fließt. Vor wenigen Tagen berichteten Forscher der amerikanischen Duke-Universität und der chinesischen Südost-Universität in der Fachzeitschrift "Science" von einem Material, das äußerlich an eine Badematte erinnert und in einem großen Bereich des Spektrums Objekte tarnen kann. Gut funktioniert das schon bei Mikrowellen, doch bald soll es auch bei sichtbarem Licht geschehen: "Die genutzte Methode dürfte unsere Fähigkeit verbessern, verschiedene Arten von Wellen abzuschirmen", berichtet David Smith, Elektro- und Computertechniker an der Duke-Universität.

Am Institut für Angewandte Physik der Universität Karlsruhe wurde derweil ein Verfahren entwickelt, mit dem sich 3D-Metamaterialien für den Infrarot-Bereich herstellen lassen. Dabei werden photonische Kristalle direkt mit einem Laserstrahl in Kunststoff geprägt, wodurch Metamaterialien frei formbar werden. Die Gruppe um Martin Wegener hat sich zum Ziel gesetzt, einen Weg zu finden, wie Metamaterialien maschinell hergestellt werden können.

Serviceangebote
Zur Startseite
-0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%25%26%27%28%29%30%31%32%33%34%35%36%37%38%39%40%41%42%43%44%45%46%47%48%49%50%51%52%53%54%55%56%57%58%59%60%61%62%63%64%65%66%67%68%69%70%71%72%73%74%75%76%77%78%79%80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%98%99%100%