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Brechungsgesetz überlistet

Von Rainer Scharf

Ein neuartiges Material, das auseinander laufende Mikrowellenstrahlen wieder einsammelt und in eine Richtung bündelt, haben Forscher des Institut Fresnel in Marseille entwickelt. Dazu mussten sie das Brechungsgesetz der Optik überlisten.

Die quadratische Platte, die Stefan Enoch und seine Kollegen aus dem neuen "Metamaterial" hergestellt haben, sieht zunächst recht unscheinbar aus. Ein Blick in ihr Inneres zeigt, dass sie aus mehreren Kupfergittern besteht, zwischen die Schaumstoffschichten gelegt sind. Die Löcher in den Gittern sind ungefähr fünf Millimeter groß. Diese Struktur ist so engmaschig, dass die Platte für Mikrowellen von einigen Zentimetern Wellenlänge aus einem homogenen Medium zu bestehen scheint.

Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Platte zeigen sich, wenn man eine Mikrowellenantenne in sie hineinsteckt. Die von der Antenne ausgesendeten Strahlen breiten sich im Innern der Platte nach allen Richtungen aus. Sobald die Strahlen jedoch durch die Oberseite der Platte hinaus ins Freie treten, haben sie plötzlich alle nahezu dieselbe Richtung und verlaufen senkrecht zur Plattenoberseite.

(Bild)
Diese quadratische Platte kann Mikrowellen fokussieren. Sie besteht aus einem neuen Metamaterial - aufgebaut aus Kupfergittern zwischen denen sich Schichten aus Schaumstoff befinden. (Quelle: Institut Fresnel)

Die Erklärung dafür liegt im optischen Brechungsgesetz. Normalerweise ist der Brechungsindex eines Materials größer als 1. Die Platte ist jedoch so konstruiert, dass ihr Brechungsindex für die Mikrowellen viel kleiner als 1 ist. Wenn die Mikrowellenstrahlen die Platte verlassen und in die umgebende Luft gelangen, erfahren sie die Luft als das optisch wesentlich dichtere Medium! Dem Brechungsgesetz zufolge wird ein Strahl im optisch dichteren Medium zum Lot hin gebrochen. Für die Mikrowellenstrahlen heißt das, dass sie in eine Richtung abgelenkt werden, die beinahe senkrecht auf der Plattenoberfläche steht. Dies gilt selbst für die Strahlen, die nahezu streifend durch die Plattenoberfläche hindurchgehen.

Ob es ein entsprechendes Metamaterial auch einmal für sichtbares Licht geben wird? Die Forscher sind zuversichtlich. Sich vorzustellen, wie eine Platte aus diesem Stoff dann aussähe, erfordert allerdings einiges an Phantasie. 

Quelle
Stefan Enoch et al., A Metamaterial for Directive Emission, Physical Review Letters 89, 213902 (2002)
http://link.aps.org/abstract/PRL/v89/e213902

Kontakt
Stefan Enoch, stefan.enoch@fresnel.fr
Gérard Tayeb, gerard.tayeb@fresnel.fr

Webseite der Arbeitsgruppe
http://www.loe.u-3mrs.fr/

Webseite des Institut Fresnel
http://www.fresnel.fr/

Infos über Metamaterialien
http://microlab.seas.ucla.edu/MURI/MURI.html
http://physicsweb.org/article/world/15/8/8/1

pro-physik.de v. 15.11.2002

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