Metamaterialien: Stoffe stellen die Physik auf den Kopf

Metamaterialien lenken etwa Licht und Wärme um Objekte herum. Dünne Gitter schlucken Schall wie meterdicke Platten. Nun werden sie in erste Produkte eingebaut.

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Auch die Auto-Industrie interessiert sich für Metamaterial: Nissan will mit solchen akustischen Metamaterialplatten Geräusche und Vibrationen in der Fahrgastzelle wegdämpfen.

(Bild: Nissan)

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Von
  • Wolfgang Stieler
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Dass Metamaterialien überhaupt zu einem populären Forschungsthema geworden sind, könnte mit einer cleveren PR-Idee von zwei britischen Forschern zusammenhängen. Denn eigentlich wollten die Physiker John Pendry und Ulf Leonhardt Anfang der 2000er nur auf ein neues Forschungsgebiet aufmerksam machen. Um das hochgradig abstrakte Thema attraktiver zu machen, ersannen die Theoretiker aber eine fiktive Anwendung: Ein Material, das Licht um ein Objekt herumleitet – und es so unsichtbar macht. Denn solch ein Material gibt es in der Natur nicht.

Dieser Text stammt aus: MIT Technology Review 8/2021

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Pendry war auch einer der ersten, der vorschlug, wie man solche Tarnkappen praktisch herstellen könnte. Die gewünschten optischen Eigenschaften, schrieb er, könne man nur bekommen, wenn man die Tarnkappe aus mehreren, verschiedenen Bestandteilen zusammensetzt, die eine Art übergroßes Atomgitter bilden. Daher nannten die Forscher ihr Produkt "Metamaterial".

Die Idee eines Unsichtbarkeitsmantels für sichtbares Licht ist bis heute fiktiv geblieben, aber die Erforschung von Metamaterialien hat zahlreiche Ableger hervorgebracht: Es gibt nicht mehr nur optische Metamaterialien, die elektromagnetische Wellen steuern, es gibt akustische Metamaterialien, die Schall manipulieren, thermische Metamaterialien, in denen die Wärmeleitung gelenkt wird und mechanische Metamaterialien, zum Beispiel Festkörper, die sich wie Flüssigkeiten verhalten, oder Materialien, deren Steifigkeit und Dämpfung gezielt und reversibel geändert werden kann. Und jetzt kommt diese Technologie vom Labor in die Produktion – auch wenn noch ein paar Hindernisse zu überwinden sind.

Den ersten Schritt dazu haben die Menschen bereits in der Antike verstanden: Schleift man eine runde durchsichtige Scheibe aus Glas oder Kristall so, dass sie in der Mitte dick bleibt und an den Rändern immer dünner wird, bündelt diese Lupe das Licht. Aber warum ist das so? Und wie kann die Antwort auf diese Frage helfen, Metamaterial zu konstruieren? In einem Youtube-Video gibt der Physiker Steve Cummer von der Duke University in North Carolina eine anschauliche Antwort: Stellen Sie sich das Licht, das auf die Linse fällt, als Welle vor, argumentiert Cummer. Die Berge und Täler dieser Welle bilden gerade Wellenfronten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Das Glas bremst die Wellen – in der Mitte stärker, am Rand, wo die Linse dünner ist, weniger. Das Ergebnis: Die Wellenfronten werden gekrümmt, und zwar so, als ob sie in einem Punkt hinter der Linse zusammenlaufen würden.

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Was muss man also tun, um Licht beliebig zu lenken? Man muss die Wellenfronten gezielt verformen. Das funktioniert, indem man dafür sorgt, dass das Material an verschiedenen Punkten verschiedene Materialeigenschaften – wie zum Beispiel dem Brechungsindex – hat. So kann man etwa komplett flache Linsen konstruieren. Damit das ganze praktisch nutzbar wird, müssen die elementaren Bausteine von Metamaterialien – die "Einheitszellen", aus denen das Quasi-Atomgitter aufgebaut ist – nur kleiner sein als die Wellenlänge der jeweiligen Welle. Bei sichtbarem Licht zum Beispiel sind das einige hundert Nanometer.

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Kymeta, eines der ersten Unternehmen, das Metamaterialien in kommerziellen Produkten verwendet, hat eine flache, mobile Satelliten-Antenne entwickelt, die sich allein durch Software beliebig ausrichten lässt und nur rund 150 Watt Leistung benötigt. Die Oberfläche der Antenne enthält in regelmäßigen Abständen winzig kleine Resonatoren, die wie Stimmgabeln elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen absorbieren oder verstärken. Bei welcher Frequenz sie das besonders gut tun, stellen die Kymeta-Ingenieure durch spezielle Flüssigkristalle ein. Die Technologie, um diese Flüssigkristalle anzusteuern, beruht auf derselben Technologie, die auch bei Displays zum Einsatz kommt. Dennoch hat es rund zehn Jahre gedauert, um aus der Idee ein fertiges Produkt zu machen.