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Meta-Linse aus Nanolöchern

Nanostruktur aus Löchern statt Säulen eröffnet neue Möglichkeiten der Lichtmanipulation

Meta-Linse
Mithilfe winziger, aber tiefer Löcher manipuliert die neuartige Meta-Linse das einfallende Licht. © Capasso Lab/ Harvard SEAS

Löcher als Lichtmanipulatoren: Forscher haben ein neuartiges Metamaterial entwickelt, das ultraflache Linsen und andere optische Manipulationen des Lichts möglich macht. Anders als gängige Metamaterialien nutzen sie dafür keine Nanosäulen, sondern winzige, tiefe Löcher im Material. Sie bewirken, dass Licht in spezieller Weise gebrochen wird. Das Metamaterial ermögliche extrem flache, große Linsen, aber auch neue optische Anwendungen, so das Team im Fachmagazin „Nano Letters“.

Sie machen Licht unendlich schnell, zum Korkenzieher oder zur stehenden Welle, erschaffen Hologramme und Hologramm-Videos oder werden zum Tarnmantel: Metamaterialien können das Licht fast beliebig manipulieren. Basis dieser Fähigkeit ist eine Nanostruktur, bei der winzige Säulchen aus Silizium oder Metalloxiden die auftreffenden Lichtwellen auf spezifische Weise brechen. Auch die Polarisation oder Amplitude des Lichts ist durch solche Nanostrukturen veränderbar.

Das Verhältnis ist entscheidend

Doch es geht auch ganz ohne Nanosäulen, wie nun Forscher der Harvard University um Daniel Lim demonstrieren. Auf der Suche nach einem Metamaterial für große, ultraflache Linsen schauten sie nach einer Möglichkeit, die Nanostrukturen höher zu machen ohne ihren Durchmesser vergrößern zu müssen. Der Grund: „Höhere Metastrukturen erweitern die Spanne der optischen Eigenschaften, die man durch das Spektrum der gegebenen Formen beeinflussen kann“, erklären Lim und seine Kollegen.

Das Problem jedoch: Die gängigen Nanosäulchen lassen sich nicht unendlich erhöhen, sonst kippen oder brechen sie bei der Herstellung oder werden während der Nutzung zu leicht beschädigt. „Als maximales Seitenverhältnis für Metaoberflächen gilt daher für Titandioxid-Säulen 15:1 und für Silizium 20:1“, erklärt das Team.

Löcher statt Säulchen

Anders ist dies jedoch, wenn man quasi das Negativ der gängigen Nanostrukturen nimmt: Lim und seine Kollegen haben eine Metaoberfläche aus Löchern statt aus Nanosäulen entwickelt. Dafür bohrten sie in die Oberfläche einer rund fünf Mikrometer dünnen Siliziumscheibe Löcher von 170 bis 310 Nanometer Durchmesser. Die Löcher waren dabei jeweils bis zu 30-mal tiefer als breit. „Wenn man Säulen mit diesem Verhältnis herstellen würde, würden sie umkippen“, sagt Lim. „Es ist das erste Mal, dass Löcher mit einem solchen Seitenverhältnis in der Meta-Optik eingesetzt wurden.“

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Nanolöcher
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Nanolöcher in der Meta-Linse. © Capasso Lab/ Harvard SEAS

Insgesamt enthielt das zwei Millimeter große Siliziumscheibchen am Ende rund zwölf Millionen dieser Nanolöcher. Mithilfe physikalischer Berechnungen passten die Forscher die Lochabstände und Lochbreiten so an, dass die Metaoberfläche als Linse wirkt: Sie kann einfallendes Infrarotlicht effektiv und mit nur geringer Streuung bündeln. Die Nanolöcher kontrollieren dabei nicht nur die Richtung des Lichts, sondern auch seine Phase und Amplitude.

Meta-Linsen und mehr

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnen die „löchrigen“ Metamaterialien ganz neue Möglichkeiten, ultradünne, maßgeschneiderte Linsen und andere optische Materialien zu entwickeln. „Unser Ansatz kann beispielsweise dafür genutzt werden, um große, achromatische Linsen herzustellen, die verschiedene Lichtfarben auf den gleichen Punkt fokussieren“, erklärt Koautor Federico Capasso. Das macht großflächige, aber ultradünne Breitband-Linsen möglich – bisherige Nanostrukturen waren dafür nicht stabil genug.

„Die löchrige Plattform erlaubt ein größeres Seitenverhältnis bei optischen Nanostrukturen, ohne dabei die mechanische Robustheit zu opfern“, sagt Lim. Möglich wäre es aber auch, die Löcher noch zusätzlich mit einem nichtlinearen optischen Material oder Flüssigkristallen zu füllen, um so das Licht noch stärker und gezielter manipulieren zu können. (Nano Letters, 2021; doi: 10.1021/acs.nanolett.1c02612)

Quelle: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

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