Hoffnung für Superlinsen

Material bricht Licht effizienter auf die falsche Weise

Von Rainer Scharf

Optische Metamaterialien sind lichtdurchlässige Verbundwerkstoffe, die die Gesetze der Optik auf den Kopf zu stellen scheinen. Anders als bei allen natürlichen oder bisher bekannten künstlichen Stoffen kann ihr Brechungsindex für einen Teil des Lichtspektrums negativ sein, so dass in ihnen die Lichtwellen in die falsche Richtung laufen. Das ist so, als würden sich Wasserwellen zu dem Punkt hin bewegen, an dem ein Stein ins Wasser gefallen ist. Da die Metamaterialien das Licht deshalb falsch brechen, könnte man aus ihnen perfekte Linsen mit einem für unerreichbar gehaltenen Auflösungsvermögen fertigen. Allerdings absorbieren die bislang hergestellten Materialien das Licht außergewöhnlich stark und schwächen es dadurch ab. Dieses Hindernis haben Forscher in Amerika jetzt mit Hilfe eines lichtverstärkenden Farbstoffs überwunden.

Das neue Metamaterial, das Vladimir Shalaev und seine Kollegen von der Purdue University in Indiana entwickelt haben, hat eine gitterförmige Struktur mit etwa hundert Nanometer großen Löchern. Es besteht aus mehreren hauchdünnen Schichten aus Silber beziehungsweise Kunstharz, die abwechselnd übereinandergestapelt sind. In das Kunstharz eingeschlossen sind Moleküle des Farbstoffs Rhodamin 800, der bei Bestrahlung mit rotem Licht infrarot leuchtet. An einem ähnlichen Metamaterial, das statt des farbstoffhaltigen Kunstharzes Aluminiumoxid enthielt, hatten die Forscher schon früher für gelbes Licht einen negativen Brechungsindex gemessen. Er kam durch die besonderen elektrischen und magnetischen Eigenschaften der gitterförmigen Silberschicht zustande, die aber gleichzeitig einen Teil des Lichts absorbierte.

Auch das Metamaterial mit dem farbstoffhaltigen Kunstharz weist für Licht einer bestimmten Farbe einen negativen Brechungsindex auf und schwächt es ab, wie die Messungen der Forscher zeigten. Sie hatten die Struktur des Materials jedoch so bemessen, dass der Brechungsindex genau für jenes infrarote Licht negativ wurde, das der Farbstoff abstrahlte, wenn man ihn zum Leuchten anregte. Damit wurde es möglich, die Absorption des Lichts im Metamaterial durch gezielte Anregung des Farbstoffs zu kompensieren.

Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" (Bd. 466, S. 735) berichten, haben sie das Metamaterial in schneller Folge mit extrem kurzen Pulsen von rotem Laserlicht bestrahlt. Jedem dieser Pulse folgte im Abstand von einigen Billionstel Sekunden ein ebenso kurzer Puls aus Infrarotlicht. Shalaev und seine Kollegen maßen, wie viel vom Infrarotlicht durch das Metamaterial hindurchging oder von ihm reflektiert wurde. Dabei zeigte es sich, dass das Metamaterial etwa doppelt so viel Infrarotlicht durchließ, wenn es zuvor von einem roten Laserpuls getroffen worden war.

Jeder der roten Laserpulse brachte die Farbstoffmoleküle in einen angeregten Zustand, in dem sie zunächst blieben. Bevor die Moleküle spontan infrarote Lichtteilchen oder Photonen abstrahlen und dadurch in ihren Ausgangszustand zurückkehren konnten, traf sie der nachfolgende Infrarotpuls, der aus infraroten Photonen derselben Art bestand. Die Photonen des Pulses brachten die Moleküle dazu, umgehend Photonen abzustrahlen und dadurch die Intensität des Infrarotpulses zu erhöhen. Diese sogenannte stimulierte Emission, die Albert Einstein schon 1916 postuliert hatte, liegt auch der Funktionsweise des Lasers zugrunde.

Wie Shalaev und seine Kollegen damit gezeigt haben, lässt sich also in einem Metamaterial mit negativem Brechungsindex die unvermeidliche Absorption des Lichtes durch die Silberschichten kompensieren, wenn man die Farbstoffmoleküle durch stimulierte Emission zur Verstärkung des Lichtes veranlasst. Die Forscher hoffen jetzt, durch Änderungen der Struktur des Metamaterials auch über einem größeren Teil des Lichtspektrums einen negativen Brechungsindex und eine Lichtverstärkung erreichen zu können.

Text: F.A.Z., 11.08.2010, Nr. 184 / Seite N2