3. Januar 2007, Neue Zürcher Zeitung
 

Ein Metamaterial für den optischen Spektralbereich

Negative Brechung von sichtbarem Licht

Wenn in der Physik neuerdings von Tarnmänteln und Superlinsen die Rede ist, so hat das mit sogenannten Metamaterialien zu tun. Das sind künstliche Kristalle, etwa aus Metalldrähten und geschlitzten Metallringen, die die Gesetze der Optik auf den Kopf zu stellen scheinen: Im Gegensatz zu allen bisher bekannten Substanzen können Metamaterialien nämlich einen negativen Brechungsindex haben und das Licht in die «falsche» Richtung brechen. Das lässt sich möglicherweise für Linsen mit extrem hoher Auflösung nutzen oder für Tarnmäntel, die das Licht um den zu verbergenden Gegenstand herumführen. Bisher waren solche Tricks nur mit Mikrowellen und Infrarotlicht möglich. Nun gibt es erstmals ein Metamaterial, das einen negativen Brechungsindex für sichtbares Licht besitzt.[1]

Künstlicher Kristall mit Nanostrukturen

Das Material, das Gunnar Dolling und Martin Wegener von der Universität Karlsruhe zusammen mit Kollegen entwickelt haben, sitzt als dünne Schicht auf einer Glasunterlage und hat eine schachbrettartige Gitterstruktur, die erst unter dem Elektronenmikroskop sichtbar wird. Sie besteht aus etwa 100 Nanometer breiten Stegen und ebenso grossen Löchern, die damit viel kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Dem Licht erscheint das künstlich strukturierte Metamaterial deshalb als homogene Substanz. Die Gitterstege bestehen aus je zwei übereinander liegenden Silberstreifen, zwischen denen sich eine isolierende Magnesiumfluorid- Schicht befindet.

Bestrahlten die Karlsruher Forscher diese Sandwichstruktur senkrecht von oben mit rotem Licht von 780 Nanometern Wellenlänge, so wurde ein Magnetfeld induziert, das in die entgegengesetzte Richtung zeigt wie das Magnetfeld des Lichts. Durch einen Resonanzeffekt wurde diese negative magnetische Antwort des Metamaterials erheblich verstärkt. Gleichzeitig kam es in den Silberstreifen zu einer elektrischen Polarisation, die dem elektrischen Feld der Lichtwelle entgegenwirkte. Durch diese doppelt negative Antwort, wie sie bei herkömmlichen Materialien nicht auftritt, wurde der Brechungsindex des Metamaterials negativ - allerdings nur für senkrecht einfallendes Licht. Darum konnte man ihn nicht direkt durch Lichtbrechung messen.

Die Forscher wählten dazu ein anderes Verfahren. Sie schickten kurze, rote Laserpulse durch das Material und beobachteten deren Ausbreitung. Glas und andere Substanzen mit positivem Brechungsindex verlangsamen lediglich die Ausbreitung des Lichts. In einem Material mit negativem Brechungsindex breiten sich Lichtpulse jedoch in die «falsche» Richtung aus. Das führt dazu, dass das Maximum eines Lichtpulses das Material auf der Rückseite verlässt, noch bevor das Maximum des einfallenden Pulses in das Material eingetreten ist. Solch scheinbar paradoxes Verhalten erklärt sich dadurch, dass ein Lichtpuls beim Durchgang durch das Material seine Form und Grösse stark verändert. Die Energie des Lichtes bewegt sich aber weiterhin in die «richtige» Richtung.

Beschleunigtes Licht

Das vorzeitige Auftauchen der Lichtpulse hinter dem Metamaterial machten die Forscher durch Interferenz sichtbar. Die Lichtpulse wurden mit einem halbdurchlässigen Spiegel geteilt und nach zwei getrennt durchlaufenen Wegen wieder zusammengeführt. Dabei interferierten die Teilpulse, und es entstand ein Muster aus dunklen und hellen Streifen. Wurde das Metamaterial in einen der beiden Lichtwege gehalten, so mussten die dort laufenden Teilpulse es passieren. Dabei gewannen sie ein wenig Zeit gegenüber den Teilpulsen, die den anderen Lichtweg durchlaufen hatten. Dadurch veränderte sich das Interferenzmuster. Aus dieser Änderung berechneten die Forscher, dass ihr Metamaterial einen negativen Brechungsindex mit dem Wert -0,6 hatte.

Gibt es also schon bald Metamaterialien, die einen negativen Brechungsindex für das gesamte sichtbare Lichtspektrum haben? Wohl kaum. Geht man von rotem zu kurzwelligerem, blauem Licht, absorbiert der Silberstreifen so viel Licht, dass das Material seine ungewöhnlichen Eigenschaften verliert. Für andere Metalle als Silber ist das Problem noch grösser. Um hier eine Lösung zu finden, sind neue Konstruktionsideen gefragt. Der Weg zu Superlinsen und Tarnmänteln für sichtbares Licht ist offenbar noch lang.

Rainer Scharf

[1] Optics Letters 32, 53-55 (2007).
 


Diesen Artikel finden Sie auf NZZ Online unter: http://www.nzz.ch/2007/01/03/ft/articleERV0L.html

Copyright © Neue Zürcher Zeitung AG