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Eine Idee revolutioniert die Optik

Metamaterialien stellen das Brechungsgesetz auf den Kopf

Von Rainer Scharf

In den vergangenen Jahren ist es Forschern gelungen, Materialien mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften herzustellen. Diese Metamaterialien scheinen die Gesetze der Optik auf den Kopf zu stellen. Gerade das macht sie für Anwendungen so interessant.
 
Vor 37 Jahren hatte der russische Physiker Victor Veselago eine ungewöhnliche Idee: Ihm schwebten neuartige Materialien vor, die Licht in die falsche Richtung brechen. Die Reaktionen seiner Fachkollegen seien zwar positiv gewesen, erinnert sich Veselago, doch letztlich habe man seine Idee als ein wenig zu phantastisch angesehen. Immerhin habe er die ehernen Gesetze der Optik in Frage gestellt. Inzwischen ist der Name des russischen Physikers nicht nur in Fachkreisen bekannt. Auch in der Hightech-Industrie und im Pentagon hat man sich durch seine Überlegungen inspirieren lassen. Zu den ins Auge gefassten Anwendungen der neuartigen Materialien zählen Beschichtungen für Tarnkappenflugzeuge, Linsen, die das Licht über die Beugungsbegrenzung hinaus bündeln, und Antennen, die gezielt in eine Richtung senden.

Verkehrt reagierende Materialien

Veselago untersuchte damals die Eigenschaften von sogenannten magnetischen Halbleitern, die sehr stark auf elektromagnetische Wellen reagieren. Ihre frequenzabhängigen elektrischen und magnetischen Materialkonstanten, die Dielektrizitätskonstante und die magnetische Permeabilität µ, nehmen grosse, zumeist positive Werte an. Für elektromagnetische Wellen mit bestimmten Frequenzen kann oder µ auch schon einmal negativ sein. Dann reagiert das Material entgegengesetzt zum einwirkenden Feld und schwächt es ab.

Substanzen, deren und µ gleichzeitig bei derselben Frequenz negativ werden, waren damals noch nicht bekannt. Doch Veselago liess sich nicht beirren und überlegte, welche elektromagnetischen Eigenschaften solche «negativen» Stoffe haben würden. Das Ergebnis war überraschend. Demnach hätte eine Substanz mit negativem und µ auch einen negativen Brechungsindex und würde das Licht ganz anders brechen, als man es von normalen Materialien gewohnt ist. Beim Eintritt in die Substanz würde ein Lichtstrahl nicht zum Lot gebrochen werden, sondern über das Lot hinaus. Dies hätte die paradoxe Folge, dass eine aus diesem Material bestehende konvexe Linse das Licht zerstreut und eine konkave das Licht bündelt. Und eine ebene Platte mit negativem Brechungsindex würde das von einer Punktquelle ausgehende Licht in einem Punkt bündeln.

Lange Zeit sah es so aus, als liesse sich Veselagos Idee von einer Substanz mit negativem Brechungsindex nicht verwirklichen. Doch Mitte der 1990er Jahre gingen mehrere Forschergruppen daran, Materialien mit massgeschneiderten elektromagnetischen Eigenschaften herzustellen. Solche Metamaterialien können eine komplexe Struktur haben. So ordnete David Smith von der University of California in San Diego zahlreiche geschlitzte Kupferringe und -drähte in einem periodischen Gitter an. Mit diesem Metamaterial gelang es ihm 2001 erstmals, Mikrowellen in die verkehrte Richtung zu brechen.

Im Anschluss an das Experiment entwickelte sich eine heftige Kontroverse. Viele Physiker konnten sich nicht mit der Idee einer «negativen» Lichtbrechung anfreunden. Sie zweifelten sowohl an den experimentellen Resultaten als auch an Veselagos Argumenten, mit denen er die Eigenschaften der «negativen» Materialien hergeleitet hatte. Doch im Jahr 2003 wiederholten Isaac Chuang vom Massachusetts Institute of Technology und seine Mitarbeiter das Experiment. Durch Kontrollexperimente mit «normalen» Materialien konnten die Forscher die Kritiker überzeugen. Eine weitere Bestätigung kam von der Firma Boeing Phantom Works in Seattle.

Inzwischen sind die Boeing-Forscher einen Schritt weiter gegangen und haben konkave und konvexe Linsen aus einem Metamaterial hergestellt. Die Resultate bestätigten Veselagos Vorhersagen. So bündelte eine konkave Linse die Mikrowellen und erreichte dabei dieselbe Brechkraft wie eine deutlich schwerere konvexe Linse aus Material mit positivem Index. Diese Gewichtsersparnis macht die «negativen» Linsen für Anwendungen in der Luftfahrt interessant. Auch das Pentagon fördert inzwischen die Entwicklung von Metamaterialien mit negativem Brechungsindex. Das Ziel sind neue Beschichtungen für Radarkuppeln und Tarnkappenflugzeuge sowie Sendeantennen für gebündelte Radarstrahlen.

Photonische Kristalle als Hoffnungsträger

Metamaterialien, die sichtbares Licht negativ brechen, kann man derzeit noch nicht herstellen. Dazu müsste man komplizierte Strukturen aufbauen, deren Bausteine wesentlich kleiner sind als ein Mikrometer. Doch mehrere Forschergruppen haben eine alternative Lösung gefunden, die sich möglicherweise einfacher auf den sichtbaren Spektralbereich übertragen lässt. Auch photonische Kristalle können elektromagnetische Wellen in die falsche Richtung brechen, obwohl sie aus Materialien bestehen, deren und µ positiv sind. Wie ist das möglich? In einem photonischen Kristall sind identische Bauelemente wie Kugeln oder Stäbe regelmässig angeordnet. Einfallende Wellen werden von dieser regelmässigen Anordnung moduliert und in ihrer Ausbreitung beeinflusst. Wenn die Wellenlänge genau in die Zwischenräume der Bauelemente passt, bleibt die Welle stehen und kann sich nicht ausbreiten. Andere Wellen kommen je nach Richtung und Wellenlänge mehr oder weniger schnell voran. Dies führt dazu, dass die optischen Eigenschaften eines photonischen Kristalls nicht mit denen seiner Bauelemente übereinstimmen müssen. Insbesondere kann er Wellen mit bestimmter Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung so ablenken, wie es einem negativen Brechungsindex entspricht.

Eine von Costas Soukoulis geleitete Forschergruppe vom Ames Laboratory in Iowa hat im letzten Jahr untersucht, wie Mikrowellen von einem «Wald» aus regelmässig angeordneten Aluminiumoxidstäben abgelenkt werden. Für einen bestimmten Wellenlängenbereich, so hatten die Berechnungen ergeben, sollte dieser photonische Kristall einen Brechungsindex von -2,06 aufweisen. Die Experimente zeigten, dass die Wellen tatsächlich in die falsche Richtung gebrochen wurden und der Brechungsindex -1,94 betrug. Darüber hinaus absorbierte der photonische Kristall nur einen kleinen Bruchteil der einfallenden Wellen. Bei den bisher untersuchten Metamaterialien waren die Verluste hingegen wesentlich grösser. Mit einer ähnlichen Anordnung von Aluminiumoxidstäben haben Srinivas Sridhar und seine Kollegen von der Northeastern University in Boston eine ebene Linse hergestellt. Wurden von einer Punktquelle Mikrowellen seitlich in den «Wald» der Aluminiumoxidstäbe hineingestrahlt, dann liefen die auf der Rückseite des Waldes herauskommenden Wellen in einem eng umrissenen Bereich zusammen.

Da solch eine flache, negativ lichtbrechende Linse die elektromagnetischen Wellen auf ganz andere Weise bündelt als normale Linsen, könnte man mit ihrer Hilfe auch die Grenzen der optischen Auflösung überwinden. Darauf hatte vor einigen Jahren John Pendry vom Imperial College in London hingewiesen, als er die Möglichkeit einer «Superlinse» untersuchte. In der herkömmlichen Optik kann man mit dem Licht einer bestimmten Wellenlänge noch Details erkennen oder abbilden, die etwa halb so gross sind wie diese Wellenlänge. Kleinere Details eines beleuchteten Objekts sind im sogenannten optischen Nahfeld verborgen, das allerdings schon in geringer Entfernung vom Objekt abklingt und nicht mehr zur Abbildung beiträgt.

Eine flache, negativ lichtbrechende Linse, so argumentierte Pendry, könnte dieses optische Nahfeld verstärken und für eine Abbildung nutzbar machen, die wesentlich kleinere Details erkennen lässt. Neuere Experimente von Soukoulis und seinen Kollegen scheinen dies zu bestätigen. Mit ihrem photonischen Kristall aus Stäben haben sie die von einer Punktquelle ausgehende Mikrowellenstrahlung auf einen «Brennfleck» gebündelt, dessen Durchmesser fünfmal kleiner war als die benutzte Wellenlänge.

Bis zur Verwirklichung einer Superlinse sind allerdings noch einige Schwierigkeiten zu überwinden. Alle bisher untersuchten negativ lichtbrechenden Materialien zeigen diese ungewöhnliche Eigenschaft nur für Frequenzen in einem engen Bereich. Ihre Brechkraft hängt zudem stark von der Einfallsrichtung des Lichtes ab. Zudem absorbieren sie immer einen mehr oder weniger grossen Teil des Lichtes. Dennoch stehen die Chancen gut, dass man eine Superlinse herstellen kann. Mit ihr liesse sich ein bisher nicht für möglich gehaltenes optisches Auflösungsvermögen erreichen. Ausserdem könnte man sie in CD-Spieler einbauen, um mit sichtbarem Laserlicht noch submikroskopische Details auf einer CD auszulesen. Dadurch liesse sich die Kapazität dieser Datenträger vergrössern. Auch bei der photolithographischen Herstellung von Halbleiterchips könnten Superlinsen helfen, noch kleinere Strukturen auf den Chips herzustellen. Schon jetzt steht fest, dass Veselagos «phantastische» Idee von einem Material mit negativem Brechungsindex weitreichende Folgen haben wird. 

Text: Neue Zürcher Zeitung, 21.04.2004

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