18. Mai 2005, Neue Zürcher Zeitung
 

Eine Superlinse erweitert die Möglichkeiten der Optik

Rasche Fortschritte bei Materialien mit negativem Brechungsindex

Materialien mit einem negativen Brechungsindex sind derzeit ein heisses physikalisches Forschungsgebiet. Sie scheinen die Gesetze der Optik auf den Kopf zu stellen. So brechen sie das Licht in die falsche Richtung, was der russische Physiker Victor Veselago schon 1967 berechnet hatte. Wegen ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften eröffnen diese Materialien ungeahnte Anwendungsmöglichkeiten, auf die auch schon das Pentagon aufmerksam geworden ist. Die Sache hat nur einen Haken: Für alle herkömmlichen Substanzen ist der Brechungsindex positiv. Der britische Physiker John Pendry fand jedoch Ende der 1990er Jahre eine Lösung. Sogenannte Metamaterialien aus Drähten und geschlitzten Kupferringen, die in einem periodischen Gitter angeordnet sind, können für elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenz einen negativen Brechungsindex aufweisen. Im Jahr 2001 hatten David Smith und seine Kollegen von der University of California in San Diego solch ein Metamaterial mit negativem Brechungsindex zusammengebastelt, das schräg eingestrahlte Zentimeterwellen nicht zum Lot hin brach, wie es üblich ist, sondern vom Lot weg.

Verstärkung des Nahfeldes

Darüber hinaus hatte Pendry behauptet, dass eine ebene Platte aus einem Material mit negativem Brechungsindex eine «Superlinse» ist, die einer Glaslinse weit überlegen sein sollte. Wenn man ein Objekt mit Hilfe einer Glaslinse abbildet, dann sind die kleinsten auf dem Bild gerade noch erkennbaren Details etwa so gross wie die Wellenlänge des benutzten Lichtes. Eine Superlinse sollte hingegen viel kleinere Details abbilden können, da zum Aufbau des Bildes auch die viel kürzeren Wellen des Nahfeldes der beleuchteten Probe beitragen. Diese normalerweise schnell abklingenden Wellen sollten von der Superlinse verstärkt werden können. Auch diese Vorhersage ist im vergangenen Jahr teilweise bestätigt worden. Allerdings war das Metamaterial so grob strukturiert, dass sich mit der Superlinse zwar Zentimeterwellen fokussieren liessen, aber nicht Licht mit seiner rund hunderttausendmal kürzeren Wellenlänge. Erst jetzt haben zwei Forschergruppen unabhängig voneinander die erste Superlinse für UV-Licht hergestellt.

Da es für UV-Licht noch kein Metamaterial mit negativem Brechungsindex gab, griffen die Forscher zu einem Trick. Sowohl Xiang Zhang und seine Kollegen von der University of California in Berkeley[1] als auch David Melville und Richard Blaikie von der University of Canterbury in Neuseeland[2] benutzten eine etwa 50 Nanometer dicke Silberschicht als Superlinse. Zwar hatten diese Schichten keinen negativen Brechungsindex. Doch entscheidend war, dass durch resonante Schwingungen der Leitungselektronen in der Silberschicht die Wellen des elektromagnetischen Nahfeldes verstärkt wurden. Allerdings klappt diese Verstärkung nur, wenn die Linse maximal eine Wellenlänge von dem Objekt entfernt ist. Sonst klingt das Nahfeld zu sehr ab.

Damit die Silberschicht wie eine Superlinse funktionierte, mussten das abzubildende Objekt, die Silberschicht und das Bild sehr nah beieinander liegen. Das haben beide Forschergruppen erreicht, indem sie diese Komponenten in einen etwa 200 Nanometer dicken Block integrierten. Zunächst stellten sie eine Objektmaske her, indem sie eine Chrom- oder eine Wolframschicht auf eine Quarzunterlage aufdampften und in diese Schicht ein Muster aus parallelen Linien hineinschrieben, die weniger als 100 Nanometer breit waren. Diese Metallmaske wurde mit einer lichtdurchlässigen Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA) bedeckt, auf die die Silberschicht aufgedampft wurde. Darauf kam erneut eine PMMA- Schicht, auf die abschliessend ein Fotolack aufgetragen wurde.

Diese Schichtfolge bestrahlten die Forscher durch die Quarzunterlage hindurch mit UV-Licht von 365 Nanometer Wellenlänge. Das UV-Licht wurde an den Strukturen in der Objektmaske gebeugt und von der Silberschicht auf den Fotolack fokussiert. Dort entstand ein Abbild der Linienstrukturen, das nach Entwickeln des Fotolacks sichtbar wurde. Dabei stellte sich heraus, dass die Linien mit grosser Präzision abgebildet worden waren: Die Auflösung betrug in einem Fall 60 Nanometer, also nur ein Sechstel der Wellenlänge des benutzten UV-Lichts. Bei einem Kontrollexperiment ohne Silberschicht war das Linienmuster verwaschen und kaum noch zu erkennen.

Ein Metamaterial für Licht

Mit Hilfe einer Silberschicht lassen sich also Maskenstrukturen photolithographisch übertragen, die wesentlich kleiner sind als die benutzte Lichtwellenlänge. Das könnte etwa für die Herstellung von Mikrochips von Interesse sein. Noch bessere Resultate erhofft man sich indes von einer Superlinse für Licht, die tatsächlich aus einem Material mit negativem Brechungsindex besteht. Hier melden jetzt Vladimir Shalaev und seine Kollegen von der Purdue University in Indiana einen sensationellen Durchbruch.[3] Sie haben ein Metamaterial hergestellt, das für Infrarotlicht bei einer Wellenlänge von 1500 Nanometern einen Brechungsindex von -0,3 hat.

Das Metamaterial besteht aus winzigen Goldstäbchen, die auf einem Glasplättchen in einem regelmässigen Muster angeordnet sind. Jeweils zwei dieser 750 Nanometer langen Goldstäbchen liegen, durch eine dünne Siliziumoxidschicht getrennt, aufeinander. Wenn das Metamaterial mit Infrarotlicht bestrahlt wird, kommt es zu einer elektrischen und magnetischen Resonanz in den Stäbchenpaaren, die den Brechungsindex negativ werden lässt. Die Gruppe will nun eine Superlinse für Infrarotlicht aus diesem Metamaterial herstellen. Das Hauptproblem bestehe darin, so die Forscher, die Strahlungsverluste in der Superlinse zu reduzieren.

Rainer Scharf

[1] Science 308, 502-503; 534-537 (2005); [2] Optics Express 13, 2127-2134 (2005); [3] www.arxiv.org/abs/physics/0504091.

Diesen Artikel finden Sie auf NZZ Online unter: http://www.nzz.ch/2005/05/18/ft/articleCTD4C.html

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