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Dienstag, 27.09.2016
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Tarnkappe ohne Metamaterialien

Sich auslöschende Streuung macht Objekt im Mikrowellenbereich unsichtbar

Verblüffend simple Tarnkappe: Forscher haben einen neuen Weg entdeckt, um Objekte unsichtbar zu machen. Sie nutzen dafür einen Resonanzeffekt aus, der bei der Streuung von Strahlung an zylindrischen Objekten auftritt – eine Beschichtung mit exotischen Metamaterialien ist nicht nötig. Ein simpler Wasserzylinder und Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reichen aus. Aber auch im sichtbaren Licht lässt sich das Prinzip umsetzen, wie die Forscher im Fachmagazin "Scientific Reports" berichten.
In dieser Versuchskammer wurde das Experiment durchgeführt.

In dieser Versuchskammer wurde das Experiment durchgeführt.

Tarnkappen sind heute keine Fantasie mehr, es gibt sie bereits. Meist beruhen sie auf Metamaterialien, Substanzen, die das Licht auf exotische Weise brechen und um ein darin eingehülltes Objekt herumleiten – das Objekt wird unsichtbar. Solche Tarnkappen existieren für sichtbares Licht, aber auch für Magnetfelder und sogar Schall. Der Nachteil an diesen Ansätzen: Sie benötigen Metamaterialien und sind damit sehr aufwändig und teuer herzustellen.

Sich auslöschende Streuung


Forscher suchen daher nach Möglichkeiten, Objekte auch ohne diese exotischen Materialien unsichtbar zu machen. So entwickelten US-Forscher kürzlich eine Tarnkappen aus optischen Linsen, die allerdings einen sehr exakten, statischen Aufbau erfordern. Mikhail Rybin von der ITMO Universität in Sankt Petersburg und seine Kollegen haben nun einen anderen Weg gewählt – ohne Linsen, aber auch ohne Metamaterialien.

Für ihre Tarnkappe nutzen die Forscher einen speziellen Effekt aus, der auftritt, wenn Strahlung an sphärischen Objekten gestreut wird. Entspricht der Durchmesser des Objekts in etwa der Wellenlänge der Strahlung, tritt die sogenannte Mie-Streuung auf. Nutzt man nun ein Material mit einem hohen Brechungsindex wie beispielsweise Wasser, treten zwei Streuungsmechanismen auf: eine resonante Streuung, die von der Lokalisierung des Lichts abhängt und eine nicht-resonante Streuung, die durch die Frequenz der einfallenden Strahlung bestimmt wird. Die Wechselwirkung beider Mechanismen wird als Fano-Resonanz bezeichnet.


Ein Wasserzylinder verschwindet


Und hier setzt die Tarnkappe von Rybin und seinen Kollegen an. Denn bei einer bestimmten Kombination von Wellenlänge und Brechungsindex des Objekts verschieben sich die Phasen dieser beiden gestreuten Strahlungen so, dass sie sich gegenseitig auslöschen. Im Experiment gelang dies den Forschern, indem sie einen wassergefüllten Zylinder von zwölf Millimetern Durchmesser mit Mikrowellen der Frequenz von 1,9 Gigahertz bestrahlten.

Als die Forscher die Temperatur des Wassers von 90 Grad auf 50 Grad senkten - und damit seinen Brechungsindex veränderten – geschah Verblüffendes: Wie durch Geisterhand wurde der Zylinder für die Mikrowellen unsichtbar – und das aus allen Beobachtungswinkeln. "Damit haben wir erstmals im Experiment eine einstellbare Unsichtbarkeit eines makroskopischen Objekts demonstriert", berichten Rybin und seine Kollegen. "Wir können das Objekt in den unsichtbaren Zustand und zurück bringen, ohne dass irgendeine Beschichtung nötig ist."

Auf sichtbares Licht übertragbar


Wie die Forscher betonen, haben sie für ihr erstes Experiment zwar Mikrowellen eingesetzt, aber das Prinzip lasse sich problemlos auch auf andere Wellenbereiche übertragen. "Die Idee kann auch auf andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums angewendet werden, darunter auch auf das sichtbare Licht", sagt Rybin. "Dielektrische Materialien mit einem entsprechend passenden Brechungsindex gibt es entweder schon oder sie lassen sich leicht herstellen."

Nach Ansicht der Forscher könnte die neue Methode beispielsweise in der Nanophotonik eingesetzt werden. "Unsere Studie enthüllt eine neue Physik hinter der scheinbar so bekannten Mie-Streuung des Lichts und eröffnet einen Weg zur Manipulation und Kontrolle von elektromagnetischer Strahlung", so Rybin und seine Kollegen. (Scientific Reports, 2015; doi: 10.1038/srep08774)
(ITMO University, 14.04.2015 - NPO)
 
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