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Mittwoch, 18.01.2017
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Metamaterial bricht Licht linksherum

Erstes Material mit einem negativen Brechungsindex von -0,6 entwickelt

Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, ein künstliches Material herzustellen, das Licht um den Faktor -0,6 „nach links“ – in einem negativen Winkel – bricht. Diese jetzt in „Science“ und „Nature“ veröffentlichte Entdeckung markiert einen wichtigen Schritt im rapide wachsenden Feld der Metamaterialien, neuen Werkstoffen, die eines Tages zu hochauflösenden Aufnahmeverfahren und letztlich sogar zu „Tarnkappen“ führen könnten.
Laserlicht

Laserlicht

Metamaterialien, auch als „linkshändige“ Materialien bekannt, sind künstliche Stoffe mit exotischen, nicht bei natürlichen Materialien vorkommenden Eigenschaften. Letztere brechen Licht oder elektromagnetische Strahlung in unterschiedlichen Winkeln, aber immer nach rechts von der Einfallsrichtung gesehen. Metamaterialien dagegen können Licht auch in einem negativen Winkel, also nach links, ablenken. Dies erlaubt es, Licht in ähnlicher Weise zu kontrollieren und zu steuern wie die Elektronen in einem Halbleiter und eröffnet daher ein großes Spektrum an potenziellen Anwendungen.

„Linkshändiges“ Silbernetz


Forschern um Costas Soukoulis vom Ames Laboratorium des amerikanischen Energieministeriums ist es nun gemeinsam mit seinen Kollegen Stefan Linden und Martin Wegener von der Universität Karlsruhe gelungen, ein solches netzartiges, auf Silberbasis beruhendes Material zu entwickeln. Das “Fischnetz“-Design des Materials erzeugten die Forscher, indem sie ein Lochmuster in auf einem Glasträger aufgetragene Schichten von Silber und Magnesiumfluorid ätzten. Die Löcher oder Netzmaschen sind nur rund 100 Nanometer groß – ein menschliches Haar hat im Vergleich einen Durchmesser von rund 100.000 Nanometern.

„Wir haben zum ersten Mal ein Metamaterial mit einem negativen Brechungsindex von -0,6 am roten Ende des sichtbaren Spektrums erzeugt“, erklärt Soukoulis. „Das ist die kleinste bisher erreichte Wellenlänge.“ Die Schwierigkeiten, Materialien in so kleinen Maßstäben herzustellen, limitierten bisher die Versuche, Licht noch kleinerer Wellenlängen auf diese Weise zu „zähmen“. Zwar bietet das eingesetzte Silber bereits bessere Voraussetzungen als das in vorherigen Versuchen genutzte Gold, dennoch bildet der Energieverlust bei der Brechung noch immer einen wichtigen begrenzenden Faktor.


Superlinse und Tarnkappe


„Im Moment arbeiten die Materialien, die wir im Terahertzbereich und in optischen Wellenlängen nutzen können nur in eine Richtung“, so Soukoulis. „Aber wir sind schon einen großen Schritt weiter gekommen seit vor sechs Jahren Materialien mit negativem Index erstmals entdeckt worden sind. Für kommende Anwendungen allerdings müssen wir noch mehrere Hürden nehmen.“ Zum einen wollen die Forscher kristalline Materialien oder „Verstärker“ einsetzen, um die Verluste geringer zu halten, zum anderen ist es das Ziel, auch dreidimensionale Formen zu erschaffen, nicht wie bisher ausschließlich flache Strukturen. Auch eine Methode zur Massenproduktion solcher Materialien muss erst noch entwickelt werden.

„Linkshändige Materialien könnten eines Tages zu einer Art von Superlinse führen, die im sichtbaren Spektrum arbeitet“, so Soukoulis. „Eine solche Linse bietet gegenüber der herkömmlichen Technologie eine deutlich verbesserte Auflösung, sie kann Details aufnehmen, deren Größe auch unter der Wellenlänge des Lichts liegt und damit die Bildgebung für biomedizinische oder andere Anwendungen stark verbessern.“
(DOE/Ames Laboratory, 05.01.2007 - NPO)
 
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