Die fast perfekte Tarnkappe für die Mikrowelle

Ein Material narrt die Schulphysik: Metallringe lenken elektromagnetische Strahlen auf abwegige Bahnen und bringen Gegenstände zum Verschwinden

Von Rainer Scharf

Tarnkappen und Tarnmäntel kannte man bislang nur aus Sagen und Märchen. In der Physik spielten jene Hüllen, die ihren Träger unsichtbar machen, keine Rolle, da ihre Wirkungsweise den Gesetzen der Optik zu widersprechen scheint. Doch das hat sich gründlich geändert, und Tarnkappen zählen mittlerweile zu einem heißen physikalischen Forschungsgebiet. Forscher aus den Vereinigten Staaten und England hatten vor kurzem berechnet, daß ein zylindrischer Hohlkörper sich selbst und seinen Inhalt unsichtbar machen würde, wenn er aus einem speziellen Verbundwerkstoff bestünde ("Science", Bd. 312, S. 1780). Nur wenige Monate später präsentieren nun die Wissenschaftler von der Duke University in Durham (North Carolina) und vom Imperial College in London einen Hohlzylinder, der sich tatsächlich fast wie eine ideale Tarnkappe verhält - allerdings nur im Mikrowellenbereich.

Ein Hohlkörper wird zu einem Tarnmantel, wenn er das aus allen Richtungen auf ihn fallende Licht so um sich herum lenkt, daß es seinen Weg hinter dem zu verbergenden Objekt in einer Weise fortsetzt, als sei das Hindernis gar nicht vorhanden. Ein Betrachter sieht dem umgeleiteten Licht nicht an, daß es einen Umweg genommen hat. Er glaubt deshalb, die Strahlung hätte sich geradlinig ausgebreitet. Damit man das Licht in dieser Weise umleiten kann, muß die Oberfläche des Hohlkörpers besondere optische Eigenschaften aufweisen, die von Ort zu Ort variieren und von der Einfallsrichtung des Lichtes abhängen. Mit homogenen transparenten Materialien wie Gläsern oder Kunststoffen ist das allerdings nicht zu erreichen, eher schon mit speziell strukturierten, künstlichen Verbundwerkstoffen, sogenannten Metamaterialien.

Seit einigen Jahren werden derartige Materialien entwickelt. Sie enthalten eine große Zahl eigentümlich geformter Metallteile, die eine ähnliche Rolle spielen wie die Atome und die Moleküle in einem homogenen Material. Sie sind für die elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften eines Stoffs verantwortlich. Doch anders als Atome und Moleküle kann man die Metallobjekte von Metamaterialien maßschneidern und ihnen Eigenschaften aufprägen, wie sie kein homogener Stoff besitzt. So haben die amerikanischen Forscher in der Vergangenheit Metamaterialien aus Metallringen und Metallstäben hergestellt, die das Brechungsgesetz auf den Kopf stellen. Schräg eingestrahlte Mikrowellen werden in diesen Stoffen nicht bloß zum Lot hin gebrochen, wie es in Glas oder Wasser der Fall ist, sondern über das Lot hinaus, so daß die einlaufende und die gebrochene Welle auf derselben Seite des Lotes liegen. Der Effekt ließe sich etwa zum Bau von sogenannten Superlinsen nutzen, dank derer man Details sichtbar machen könnte, die viel kleiner sind als die halbe Wellenlänge der verwendeten Strahlung und die damit jenseits des Beugungslimits liegen.

Die Idee, aus den Materialien auch eine Tarnvorrichtung zu bauen, hatten David Smith, David Shurig und John Pendry im Juni dieses Jahres publiziert. Aufbauend darauf haben sie mit Kollegen jetzt ein Metamaterial entwickelt, das aus zahllosen, etwa drei Millimeter großen quadratischen Kupferschleifen besteht, die an einer Seite geschlitzt sind. Die Forscher klebten die Kupferelemente auf zentimeterbreiten Kunststoffstreifen unterschiedlicher Länge auf und bogen diese dann zu zehn kreisförmigen Ringen mit Durchmessern von sechs bis zwölf Zentimetern. Anschließend wurden die Ringe in einer Ebene konzentrisch angeordnet, so daß zwischen je zwei benachbarten Ringen nur ein millimeterbreiter Luftspalt blieb. Im Zentrum der Tarnvorrichtung befand sich ein Hohlraum mit einem Durchmesser von sechs Zentimetern. Anschließend untersuchten die Forscher, ob ihre Tarnkappe einen massiven Kupferzylinder tatsächlich zum Verschwinden bringt. Die zuvor ausgeführten Computersimulationen hatten zumindest gezeigt, daß die konzentrischen Ringe eingestrahlte Mikrowellen von etwa drei Zentimeter Wellenlänge tatsächlich um ihren Hohlraum herumlenken würden.

Vor den eigentlichen Experimenten bestrahlten die Forscher zunächst den unverhüllten Kupferzylinder und nahmen mit einer Antenne Punkt für Punkt die räumliche Intensitätsverteilung des Mikrowellenfeldes auf. Es zeigte sich, daß der Kupferzylinder einen Teil der Strahlung reflektierte und einen Schatten warf und somit im Mikrowellenfeld deutlich erkennbar war. Anschließend brachten die Forscher den Kupferzylinder in das Innere ihrer Tarnvorrichtung, bestrahlten diese mit Mikrowellen und nahmen abermals die Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes auf. Wie die Forscher um Smith und Pendry in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten, bestand die Tarnkappe ihre Feuertaufe und hielt die Mikrowellen fast vollständig von dem Metallzylinder fern. Die Strahlung wurde von dem Metamaterial um den Hohlraum gelenkt und breitete sich anschließend tatsächlich in ihrer ursprünglichen Einfallsrichtung aus. Sowohl die Reflexe als auch die Schattenbildung durch den Kupferzylinder waren stark verringert. Allerdings führten elektrische Verluste im Metamaterial dazu, daß die Intensität der Mikrowellen hinter der Tarnkappe merklich abgeschwächt war.

Bisher funktioniert die Tarnkappe nur für Mikrowellen in einem schmalen Wellenlängenbereich. Ob sich das Spektrum wesentlich vergrößern und sogar auf den sichtbaren Bereich erweitern läßt, ist noch offen. Will man eine Tarnkappe für sichtbares Licht herstellen, müßte man Metamaterialien verwenden, die aus nanometergroßen Metallringen bestehen. Solche Strukturen kann man derzeit noch nicht fertigen. Zumindest gibt es schon erste Experimente mit Metamaterialien für die langwelligere Infrarotstrahlung. An der Erforschung und Entwicklung von Metamaterialien zeigt übrigens auch das Pentagon großes Interesse und fördert sie nach Kräften. Es bleibt also abzuwarten, ob die Tarnkappenforschung ihrerseits bald hinter einem Schleier der Geheimhaltung verschwinden wird.

Text: F.A.Z., 25.10.2006, Nr. 248 / Seite N2