Magie im Material

Eines der aufregendsten neuen Forschungsgebiete an der Schnittstelle zwischen Physik und Materialwissenschaft sind Metamaterialien: Sie ermöglichen nicht nur absurde und schlagzeilenträchtige Dinge wie Tarnkappen, sondern zunehmend auch praktische Anwendungen wie hochempfindliche Sensoren.

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  • Niels Boeing

Dieser Text ist in einer leicht gekürzten Fassung in der Print-Ausgabe 10/2009 von Technologie Review erschienen. Das Heft kann, genauso wie die aktuelle Ausgabe, hier online portokostenfrei bestellt werden.

Eines der aufregendsten neuen Forschungsgebiete an der Schnittstelle zwischen Physik und Materialwissenschaft sind Metamaterialien: Sie ermöglichen nicht nur absurde und schlagzeilenträchtige Dinge wie Tarnkappen, sondern zunehmend auch praktische Anwendungen wie hochempfindliche Sensoren.

„Jede hinreichend fortgeschrittene Technologie ist von Magie nicht mehr zu unterscheiden“, lautet das dritte Clarkesche Gesetz, das der Sciencefiction-Autor Arthur C. Clarke in seiner Essaysammlung „Profiles of the Future“ formulierte. Oft zitiert, trifft es doch auf kaum ein Gebiet so gut zu wie das der so genannten Metamaterialien. Sie manipulieren Licht oder Radiowellen – also elektromagnetische Strahlung – in einer Weise, wie es die Wissenschaft noch vor einiger Zeit nicht für möglich gehalten hat. Und doch handelt es sich mitnichten um Magie.

Die ungewöhnlichen Effekte von Metamaterialien beruhen allesamt auf den bekannten physikalischen Gesetzen, die beschreiben, wie sich elektromagnetische Strahlung in Materie ausbreitet. Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen, in denen gleichzeitig ein elektrisches und ein magnetisches Feld schwingen. Trifft sie auf ein Material, versetzen die Felder dessen Elektronen in Schwingungen. Die wirken wiederum auf die Felder zurück und beeinflussen dadurch, in welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich die Strahlung in dem Material ausbreitet, wie sich ihre Wellenlänge verändert und ob ein Teil reflektiert wird.

Wie dies geschieht, hängt dabei von zwei für jedes Material charakteristischen Eigenschaften ab: der Durchlässigkeit für elektrische Felder, der so genannten Permittivität epsilon, und der Durchlässigkeit für magnetische Felder, der Permeabilität my. Sie sind gewissermaßen die Stellschrauben für Wissenschaftler. An diesen Schrauben wurde bisher üblicherweise über die chemische Zusammensetzung eines Stoffes gedreht – indem die Struktur der Atome oder Moleküle verändert wurde. So lässt sich zum Beispiel Glas einfärben: Blaue Fenster etwa sind auf atomarer Ebene so strukturiert, dass sie nur noch Licht der entsprechenden Wellenlänge passieren lassen.

Der britische Physiker John Pendry vom Imperial College London fand in den neunziger Jahren eine zweite Möglichkeit, die beiden Größen epsilon und my zu beeinflussen. Sie beruht darauf, dass sich bestimmte geometrische Strukturen in einem Material gegenüber langwelliger Strahlung, wie etwa Mikro- oder Radiowellen, ähnlich verhalten wie Atome. So zum Beispiel winzige geschlitzte Ringe und kurze Drähte aus Kupfer oder Gold. Die nano- bis mikrometerkleinen Metallstückchen werden von den ausgedehnten, elektromagnetischen Wellen nicht als einzelne Einheiten wahrgenommen, wechselwirken aber mit der elektromagnetischen Strahlung – und bilden damit eine Art künstlicher "elektrischer" und "magnetischer" Atome. Zu einem ausgedehnten Muster angeordnet, erzeugen sie ein "Metamaterial". Dessen Parameter epsilon und my lassen sich über die Größe und Form der künstlichen Atome so verändern, dass für geeignete Wellenlängen äußerst ungewöhnliche Effekte auftreten.

Den spektakulärsten demonstrierte Pendry zusammen mit dem US-Physiker David Smith von der University of California San Diego erstmals vor drei Jahren: eine zweidimensionale „Tarnkappe“ für Mikrowellenstrahlung. Sie bestand aus einem relativ flachen ringförmigen Metamaterial (Bild 1), in dessen Innerem ein Kupferzylinder saß. Von der Seite betrachtet, war der Zylinder auf einer bestimmten Wellenlänge nicht mehr zu sehen: Die Strahlung schien um den Zylinder herum zu fließen – ähnlich wie Wasser in einem Fluss einen Stein umspült. Eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit, da sich elektromagnetische Strahlung geradlinig ausbreitet.

Bild 1: "Tarnkappe" für Mikrowellenstrahlung, die auf einer bestimmten Frequenz ein in der Mitte platziertes Objekt verschwinden lässt.

(Bild: David Smith, UCSD)



Aber die Physik ist bekanntlich immer wieder für Überraschungen gut. Tatsächlich erscheine der Raum in einem transparenten Medium wie einem Metamaterial für elektromagnetische Strahlung gekrümmt, bestätigt Ulf Leonhardt , Kosmologe an der schottischen University of St. Andrews (Bild 2). „Der Raum ist natürlich nicht wirklich gekrümmt, das würde extreme Gravitationsfelder erfordern, aber er macht auf Licht diesen Eindruck“, präzisiert er. Leonhardt und andere Physiker haben in den vergangenen drei Jahren die theoretischen Grundlagen dieses Effekts, der mathematisch einer so genannten konformen Abbildung entspricht, weiter ausgearbeitet. Damit ist es nun im Prinzip möglich, aus der Berechnung einer gewünschten Lichtkrümmung um ein Objekt herum die dafür nötige Anordnung der einzelnen Bausteine eines Metamaterials zu ermitteln.

Bild 2: Während ein Lichtstrahl im normalen Raum sich gerade auf das rote Objekt in der Mitte hin ausbreiten würde (A), folgt er im Metamaterial einem scheinbar gekrümmten Raum (B). Mathematisch handelt es sich dabei um eine konforme Abbildung.

(Bild: Ulf Leonhardt und Tomás Tyc)



Inzwischen gibt es schon Metamaterialien, die Gegenstände im sichtbaren Licht verschwinden lassen (Bild 3), und das – zumindest für sehr kleine Objekte – nicht nur in annähernd zweidimensionalen Ringen, sondern in allen drei Raumrichtungen. Verschiedene Physiker haben sogar Prototypen von „Unsichtbarkeitsfolien“ hergestellt. Allerdings schlucken Metamaterialien noch zuviel Strahlung, sodass nur ein Teil der Wellen umgelenkt wird, die Abschwächung der Lichtintensität das Objekt am Ende also doch verrät.

Der Physiker und Metamaterial-Experte Harald Giessen von der Universität Stuttgart hält es jedoch nicht für prinzipiell ausgeschlossen, dass derartige Folien eines Tages in größerem Maßstab einsetzbar sind. „Vielleicht macht man dann die Masten von Windrädern unsichtbar“, scherzt Giessen. Nanodruckverfahren könnten die Herstellung solcher Folien mit ihren Ringstrukturen in Zukunft einfach und billig machen.

Bild 3: Inzwischen sind auch Metamaterialien mit kleineren Strukturen ("Split-Ring-Resonatoren") für kürzere Wellenlängen möglich.

(Bild: Gruppe Harald Giessen, Universität Stuttgart)



Eine weitere verrückt anmutende Eigenschaft bekommen Metamaterialien, wenn ihre Parameter epsilon und my für bestimmte Frequenzen negative Werte annehmen. Dann wird nämlich auch ihre Brechzahl n negativ, die von den beiden Größen abhängt. Dass dies möglich ist, hatte der russische Physiker Viktor Veselago bereits 1968 berechnet, obwohl alle damals bekannten Stoffe eine positive Brechzahl hatten. Sie bestimmt, wie ein Lichtstrahl umgelenkt wird, wenn er etwa von Luft (n=1) in Wasser (n=1,3) eindringt – erklärt also, warum ein Strohhalm in einem Wasserglas leicht abgeknickt wirkt (Bild 4). In einer Flüssigkeit mit negativer Brechzahl würde der Strohhalm hingegen auf groteske Weise in entgegengesetzter Richtung gebrochen erscheinen.

Bild 4: Metamaterialien können auch einen negativen Brechungsindex haben. Der führt zu einer anderen Brechung (rechts) als gewöhnlich (links), wie hier in einer Illustration veranschaulicht.

(Bild: Nature)



Scheiben aus Metamaterialien mit negativer Brechzahl können nun als Linsen dienen, deren Auflösungsvermögen die bekannten Grenzen sprengt. Mit herkömmlichen Linsen in Luft lassen sich maximal Details erkennen, die nicht größer sind als die halbe Wellenlänge des Lichts, mit der das Objekt beleuchtet wird – blaues Licht von 450 Nanometern Wellenlänge macht also bestenfalls 225 Nanometer große Strukturen sichtbar. Ein Metamaterial hingegen kann dank des ungewöhnlich stark gebrochenen Strahlenverlaufs in seinem Innern auch Feinheiten abbilden, die noch zehn Mal kleiner sind, wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Biochemie in Martinsried gezeigt haben. Das ist für biologische Untersuchungen interessant, aber auch für die Produktion sehr kleiner Transistoren, die mittels photolithografischer Belichtung hergestellt werden. Einziger Haken: Diese Art der Abbildung funktioniert nur in unmittelbarer Nähe des untersuchten Objekts, in einem Abstand von wenigen hundert Nanometern.

Während Tarnkappen und Superlinsen spektakulär, aber noch weit von einer alltäglichen Nutzung entfernt sind, entdecken Forscher inzwischen auch praxisnähere Anwendungen für die neuartigen, strahlungsmanipulierenden Substanzen. Die Stuttgarter Gruppe von Harald Giessen hat ein Metamaterial aus gut 300 Nanometer langen Goldbalken konstruiert (Bild 5). Je drei von ihnen bilden eine Struktur, die an den Buchstaben „H“ erinnert, wobei der Querbalken nicht ganz in der Mitte über den beiden anderen schwebt. Diese Anordnung lässt sich als superempfindlicher Moleküldetektor etwa für medizinische Diagnosen nutzen: Lagern sich Biomoleküle an eine H-Struktur an, ändert sich an dieser Stelle der Brechungsindex des Metamaterials – und verrät so die Anwesenheit des gesuchten Moleküls, beispielsweise eines Proteins, das nur von Krebszellen produziert wird und damit auf die Krankheit hindeutet. „Der Effekt ist groß und reproduzierbar“, freut sich Giessen.

Bild 5: Diese "H"-förmigen Mikrostrukturen, eine Weiterentwicklung von Split-Ring-Resonatoren, lassen sich als hochempfindliche Sensoren nutzen.

(Bild: Gruppe Harald Giessen, Universität Stuttgart)



Einen etwas anderen Grundbaustein für ein Metamaterial hat jüngst die Gruppe von Martin Wegener an der Universität Karlsruhe vorgestellt: winzige Korkenzieher aus Gold. In einer nur vier Mikrometer dicken Schicht angeordnet, wirken sie als Filter, der so genanntes zirkular polarisiertes Licht erzeugt. In solcher Strahlung schwingen das elektrische und das magnetische Feld jeweils in einer Ebene, die sich während der Ausbreitung dreht. Laserschneider etwa arbeiten mit zirkular polarisiertem Licht. Um es zu erzeugen, musste man die Strahlung bislang durch zwei hintereinander gestellte Spezialkristallscheiben hindurch schicken. „Wir erreichen den Effekt jetzt mit einem einzigen kompakten, dünnen Material“, sagt Wegeners Kollege Stefan Linden und fügt hinzu: „Die Metamaterialien haben in der Optik eine Revolution ausgelöst. Es ist großartig, wenn man als Physiker bei einer solchen Entwicklung dabei sein kann.“ (nbo)