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Freitag, 01.07.2016
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Metall zwingt Licht zum Rückwärtsgang

Forscher weisen erstmals negativen Brechungsindex bei einem Nicht-Metamaterial nach

Ganz gewöhnliche Metalle wie Kobalt oder Eisen können Licht zum "Rückwärtsgang" zwingen - wenn man sie in ein Magnetfeld steckt. Sie brechen das Licht dann genau anders herum als normal. Das berichtet ein deutsch-österreichisches Forscherteam jetzt im Fachmagazin "EPL". Ihre Entdeckung enthüllt eine bisher unbekannte Eigenschaft von Metallen, eröffnet aber auch einen Weg zu neuartigen optischen Geräten und Materialien.
Ein Strahl wird im Metall mit negativer Brechungszahl nach links gebrochen (links)

Ein Strahl wird im Metall mit negativer Brechungszahl nach links gebrochen (links)

Man muss nur einen geraden Stab ins Wasser halten, um den Effekt zu sehen: An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft ändert das Licht seine Richtung: Der Stab sieht aus, als wäre er an der Wasseroberfläche geknickt. Diese Brechung kommt dadurch zustande, dass sich das Licht in beiden Materialien unterschiedlich schnell bewegt. „Die Brechungszahl gibt an, wie stark das Licht abgelenkt wird. Typischerweise liegt sie bei 1 – wie im Vakuum oder Luft - oder darüber – wie in meisten transparenten Substanzen“, erklärt Andrei Pimenov von der Technischen Universität Wien. Schon seit Jahren werde spekuliert, welche neuen Eigenschaften Materialien haben könnten, deren Brechungszahl negativ ist. Beim Übergang in ein solches Material würde das Licht gewissermaßen den Rückwärtsgang einlegen und genau andersherum gebrochen werden, als das normalerweise geschieht.

Mikrowellen imm Magnetfeld


Die Forscher erreichten diesen Effekt nun erstmals auch bei einem Metall - mit einem scheinbar einfachen Trick: „Wir setzen das Metall einem starken Magnetfeld aus und bestrahlen es mit Licht“, sagt Pimenov. Als Licht nutzten die Forscher dabei Mikrowellen einer bestimmten Wellenlänge. Das Magnetfeld versetzt die Atome der Metallfolie in winzige Schwingungen. Dieser Effekt sorgt dafür, dass das Licht innerhalb des Metalls in die Gegenrichtung abgelenkt wird- als wäre im Inneren des Metalls ein Spiegel eingebaut.

Ungefähr so würde eine Flüssigkeit mit negativem Brechungsindex (rechts) im Vergleich zu normalem Wasser (links) aussehen.

Ungefähr so würde eine Flüssigkeit mit negativem Brechungsindex (rechts) im Vergleich zu normalem Wasser (links) aussehen.

Bisher war ein solcher Effekt nur von sogenannten Metamaterialien bekannt. Diese Stoffe bestehen aus speziellen Mikrostrukturen, die in der Natur nicht vorkommen. Sie müssen daher relativ aufwändig im Labor hergestellt werden. Aus diesen Metamaterialien lassen sich beispielsweise hochauflösende Linsen konstruieren. Metalle könnten die Herstellung und Anwendung dieser Linsen aber vereinfachen, sagt der Forscher.


Tarnkappen und neue Linsen


Aus Materialien, die das Licht "rückwärts" brechen, könnte man theoretisch sogar Tarnkappen konstruieren. Das haben Forscher bereits im Jahr 2006 im Fachmagazin "Science" gezeigt. In ihrem Modell lenkte ein Metamaterial die Lichtstrahlen so um ein Objekt herum, dass es für einen Betrachter zu verschwinden schien. Noch sind solche "Tarnkappen" aber nur im Model möglich. Weitaus machbarer seien jedoch neuartige optische Linsen, sagen die Forscher. Das Auflösungsvermögen von gewöhnlichen Linsen ist durch die verwendete Wellenlänge beschränkt: Mit meterlangen Radarwellen kann man keinen Schmetterling fotografieren, die Wellen erfassen das winzige Objekt nicht.

Zwingt die Linse jedoch das Licht in den "Rückwärtsgang", ändert sich dies: „Mit einem Material, das eine negative Brechungszahl aufweist, könnte man theoretisch eine beliebig gute Auflösung erzielen“, sagt Pimenov. Bevor sie solche Linsen mit Hilfe ihrer Metalle konstruieren können, müssen die Wissenschaftler allerdings noch eine Hürde überwinden: Bisher schluckt das Metall bei der Brechung noch zu viel Licht. Hier müsse man nun Methoden finden, um dies auszugleichen, sagen die Forscher. (EPL, 2011; DOI: 10.1209/0295-5075/95/37005)
(TU Wien, 19.08.2011 - NPO)