Falsche Lichtbrechung

Metamaterialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften

Von Rainer Scharf

In jüngerer Zeit entwickelte lichtdurchlässige Verbundwerkstoffe scheinen die Gesetze der Optik auf den Kopf zu stellen; denn sie brechen das Licht ganz anders, als man es erwartet. Aus diesen sogenannten Metamaterialien könnte man perfekte Linsen mit einem bisher für unmöglich gehaltenen Auflösungsvermögen herstellen oder sogar Tarnmäntel fertigen, die einen Gegenstand unsichtbar machen, indem sie das Licht um ihn herum leiten. Bisherige Metamaterialien waren jedoch entweder für sichtbares Licht zu grob strukturiert oder dämpften das Licht zu stark ab - oder sie waren nur als extrem dünne Schichten verfügbar, die eine für praktische Anwendungen erforderliche Ablenkung in drei Dimensionen nicht zulassen. Mit zwei neuen Verbundwerkstoffen haben Forscher der University of California in Berkeley diese Schwierigkeiten jetzt überwunden.

Die beiden von Xiang Zhang und seinen Kollegen entwickelten Metamaterialien, die den Sprung in die dritte Dimension geschafft haben, brachen sichtbare beziehungsweise infrarote Lichtstrahlen in die "falsche" Richtung, ohne sie dabei stark abzuschwächen. Bei der Lichtbrechung ändert ein Lichtstrahl, der von einer durchsichtigen Substanz in eine andere übergeht, seine Richtung. Zum Beispiel wird ein aus der Luft schräg ins Wasser gehender Strahl zum Einfallslot hin gebrochen. Das führt unter anderem dazu, dass ein gerader Stab, der schräg aus einem klaren Teich ragt, geknickt erscheint. In Metamaterialien wird das Licht hingegen über das Lot hinaus gebrochen, so dass der Strahl das Lot nicht schneidet, sondern an ihm gleichsam reflektiert wird. Diese unorthodoxe Lichtbrechung konnten die Forscher jetzt erstmals für sichtbares beziehungsweise infrarotes Licht beobachten.

Das erste Metamaterial besteht aus zahlreichen parallelen, 60 Nanometer dicken Silberdrähten, die in Aluminiumoxid eingebettet sind. Der Abstand der Drähte ist kleiner als die Lichtwellenlänge, so dass das Licht die Feinstruktur des Materials nicht auflösen kann und deshalb ein homogenes Substrat mit neuen Eigenschaften vorfindet. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Science" (Bd. 321, S. 930) berichten, haben sie das Material dadurch gewonnen, dass sie viele dünne Kanäle in einen Aluminiumoxidblock ätzten und sie auf elektrochemischem Wege mit Silber füllten. Die optischen Eigenschaften ermittelten sie mit einem polarisierten roten Lichtstrahl von 660 Nanometer Wellenlänge, den sie schräg auf eine etwa 20 Lichtwellenlängen dicke Schicht des Materials fallen ließen. Dabei beobachteten sie, wie er abgelenkt wurde. War der Strahl so polarisiert, dass sein elektrisches Feld senkrecht zu den Drähten schwang, so wurde er normal gebrochen. Schwang hingegen sein Magnetfeld senkrecht zu den Drähten, so konnte sein elektrisches Feld in den Drähten elektrische Schwingungen anregen, die ihm entgegengerichtet waren und ihn dadurch um mehrere Grad in die falsche Richtung brachen.

Das zweite Metamaterial konnte beliebig polarisiertes Infrarotlicht in die falsche Richtung ablenken, wenn dessen Wellenlänge größer als 1,5 Mikrometer war, wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten. Es besteht aus insgesamt 21 Magnesiumfluorid- und Silberschichten von 50 beziehungsweise 30 Nanometer Dicke, die abwechselnd übereinandergestapelt sind. Die Schichten sind löchrig und haben eine regelmäßige Fischnetzstruktur, in der breite, parallel ausgerichtete Streifen durch schmale Stege miteinander verbunden sind. Die Schichtstruktur war durch abwechselndes Aufdampfen von Silber und Magnesiumfluorid auf eine Unterlage hergestellt worden.

Das Fischnetzmuster hatten die Forscher mit Ionenstrahlen in die Schichtstruktur hineingeschnitten. Wurde das Metamaterial mit Infrarotlicht bestrahlt, so regten dessen elektrisches und magnetisches Feld in den Stegen elektrische und in den Streifen magnetische Schwingungen an. Zusammen wirkten diese Schwingungen sowohl dem elektrischen als auch dem magnetischen Feld entgegen. Dies gab dem Metamaterial einen negativen Brechungsindex, während natürliche Substanzen stets einen positiven Brechungsindex haben.

In einem Material mit negativem Brechungsindex regt eine einfallende Lichtwelle eine Welle an, die sich ihr entgegenbewegt. Das führt unter anderem dazu, dass das Licht in die falsche Richtung gebrochen wird - und zwar unabhängig von seiner Polarisation. Das Metamaterial mit Fischnetzstruktur hatte diese Eigenschaft. Um das zu zeigen, stellten die Forscher aus diesem Material ein keilförmiges Prisma mit einem Neigungswinkel von fünf Grad her. Wurde die Wellenlänge des Laserstrahls von 1,2 Mikrometer schrittweise auf 1,8 Mikrometer vergrößert, so wanderte der gebrochene Strahl langsam in die falsche Richtung.

Die Messungen zeigten, dass sich dabei der Brechungsindex von 0,6 auf -1,2 verringerte. Die dabei auftretenden geringen Verluste durch Absorption lassen sich durch Verbesserung der Struktur des Metamaterials noch weiter verringern. Die ungewöhnlichen optischen Eigenschaften der beiden neuen Metamaterialien eröffnen viele Anwendungsmöglichkeiten, wenn auch die Herstellung von perfekten Linsen oder Tarnmänteln noch ein wenig dauern könnte.

Text: F.A.Z., 20.08.2008, Nr. 194 / Seite N2