![Bild 1 [180 x 180 Pixel @ 7,9 KB]](/tr/imgs/08/2/5/4/9/7/1/46aae6f91b6bc707.jpg)
In den Medien werden sie seit gut einem Jahr immer wieder erwähnt: Die so genannten Metamaterialien, eine exotische Materialklasse, mit der sich flache und verzerrungsfreie Linsen, leistungsfähige Mikroskope und theoretisch sogar "Tarnkappen" produzieren lassen, die Objekte unsichtbar machen könnten. Das Problem: Es ist noch recht schwer, solche Materialien für praktische Anwendungen herzustellen. Forscher an der Princeton University konnten nun erstmals Metamaterialien demonstrieren, die sowohl leistungsfähiger als auch leichter zu produzieren sind. Eine tatsächliche Anwendbarkeit rückt damit in die Nähe des Möglichen, zumindest in der Optik. "Es ist ein wirklich wichtiger Schritt", kommentiert Igor Smolyaninov, Metamaterial-Forscher an der University of Maryland. Die Princeton-Herstellungstechnik sei wesentlich billiger als alles, was er bisher gesehen habe.
Wenn Licht von einem gewöhnlichen Gegenstand auf einen anderen fällt, wird es leicht gebrochen – ähnlich wie ein Stock im Wasser geknickt erscheint. Licht, das auf Metamaterialien trifft, biegt sich hingegen in die umgekehrte Richtung. Das liegt daran, dass sie einen negativen Brechungsindex haben. Das heißt: Eine Linse aus einem solchen Material müsste nicht gekrümmt sein – denn bei Stoffen mit normalen Brechungsindizes ist es genau diese Krümmung, die bei einer gewöhnlichen Linse für eine Fokussierung eintreffenden Lichts sorgt.
Metamaterialien könnten dazu verwendet werden, elektromagnetische Wellen um ein Objekt herumzuleiten, es also unsichtbar zu machen. Ein "Tarnmantel", der Objekte für Mikrowellen unsichtbar macht, wurde von Forschern bereits gezeigt – anderen gelang es gar, Materialien zu schaffen, die elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums negativ brechen können. Bis jetzt mussten Metamaterialien aber immer mit komplexen Mustern überzogen sein, deren Form kleiner als die Wellenlänge der Strahlen war, die sie manipulieren sollen. Dementsprechend schwer sind Metamaterialien zu produzieren, die mit – Vergleich zu Mikrowellen – kurzen Wellenlängen wie infrarotem oder sichtbarem Licht arbeiten. Die Art und Weise, wie die negative Brechung abläuft, implizierte bei bestehenden Metamaterialien zudem eine starke Tendenz zur Lichtabsorption, was sie in der Optik unbrauchbar machte.
Die nun von den Princeton-Forschern entwickelten Metamaterialien haben eine einfachere Struktur. Statt der komplexen Anordnung aus aufgespaltenen Ringen, wie sie der vor einigen Monaten vorgestellten Mikrowellen-"Tarnmantels" hat, enthalten sie Stapel extrem dünner Halbleitermaterialien. Die ließen sich mit denselben Prozessen herstellen, die bereits für die Entwicklung des Halbleiteranteils von Lasern im Telekommunikationsbereich verwendet werden, erläutert Claire Gmachl, die die Princeton-Gruppe leitete. Die neuen Materialien bestehen aus alternierenden Schichten von Indium-Gallium-Arsenid und Aluminium-Indium-Arsenid und sind aktuell auf das Infrarot-Spektrum ausgerichtet.
Wie andere Metamaterialien auch beeinflusst das Princeton-Produkt das Licht anders als andere Materialien, weil es aus Strukturen besteht, die deutlich kleiner sind als die Wellenlängen des Lichtes, die es durchdringen. In diesem Fall sind es die Halbleiterschichten selbst, die dünner als die Lichtwellenlängen sind. Eine Welle, die das Material durchdringt, trifft deshalb auf mehrere Schichten gleichzeitig. Im Ergebnis hat das Metamaterial ganz andere optische Eigenschaften als die Einzelteile, aus denen es besteht.
Neu daran ist vor allem, dass dabei nur noch ein Aspekt der Lichtbewegung beeinflusst wird – und nicht zwei. Wenn man sich Licht als Welle vorstellt, steht die Wellenfront aufrecht zu der Richtung, in die sich das Licht bewegt. Es ist wie eine Ozeanwelle, die an einen Strand schlägt – sie bewegt sich nur in eine Richtung. Ältere Metamaterialien veränderten die Richtung der Lichtstrahlen, die durch sie hindurch drangen; die Wellenfront blieb dabei aber aufrecht zur Richtung des Strahls. Bei den neuen Materialien verändert sich die Richtung des Lichtstrahls, aber nicht die der Wellenfronten, was den Eindruck ergibt, als ob sie zur Seite ausweichen, anstatt sich nach vorne zu bewegen.
Der Gesamteffekt auf die Richtung des Lichtstrahls bleibt der gleiche, aber die neuen Materialien absorbieren wesentlich weniger Licht und sind dadurch attraktiver für den Einsatz in der Optik.
Die erste Anwendung, die die Princeton-Forscher daraus nun entwickeln, ist eine flache Linse für chemische Sensoren, ein Bereich, in dem Metamaterialien, die mit infrarotem Licht arbeiten, besonders gut geeignet sind. Laut Gmachi ist die aktuell für solche Anwendungen notwendige Optik schwer und groß, weil sie konventionelle Linsen einsetzen. "Die erste Anwendung läge darin, das Material zu verwenden, um optische Anlagen zu miniaturisieren", meint sie. Gekrümmte Linsen wären dann plötzlich flach.
Ein anderes Einsatzgebiet sind Nachtsichtgeräte, die ebenfalls mit infraroten Wellenlängen arbeiten. "Forscher, die solche Komponenten verbessern wollen, könnten sich dafür sehr interessieren", meint Smolyaninov.
Permalink: http://heise.de/-280443
