Nano-Tarnkappe in 3D

Karlsruher Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, eine dreidimensionale Struktur bei der Betrachtung im Mikrowellenbereich zu verstecken.

Aufnahme der Tarnkappe unter dem Elektronenmikroskop
Aufnahme der Tarnkappe unter dem Elektronenmikroskop

Karlsruhe - In der Ebene, also im zweidimensionalen Bereich, gelang es schon vor einigen Jahren mit Hilfe von Wellenleitern „Tarnkappen“ zu bauen. Sobald der Beobachtungswinkel allerdings von 0° abwich und die Probe aus der 3. Dimension betrachtet wurde, war sie sofort erkennbar. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Imperial College in London konnten jetzt die bisher fehlende Dimension mit einbeziehen: Sie „versteckten“ eine Delle mit einer Breite von 13 Mikrometer und einer Höhe von einem Mikrometer in einer Goldstruktur.

Dafür nutzten sie mit einer Goldschicht bedampfte so genannte Metamaterialien, Stoffe aus komplexen, großenteils metallischen Nanostrukturen. Sie haben besondere optische Eigenschaften, zum Beispiel können sie Licht andersherum brechen, als „normale“ Materialien dies tun.

Die Verwendung dieser speziellen Materialart und die Variation des Brechungsindex – er ist für die Stärke der Brechung verantwortlich – um die Delle herum machten es möglich, dass das Licht einen Weg um sie nahm. Auf anschließend wieder begradigter Bahn erreichten die Strahlen das Mikroskop. Die Manipulation im Strahlengang war nicht mehr nachweisbar.

"Wir sehen quasi eine glatte Fläche ohne Beule“, so Dr. Nicolas Stenger, am Experiment beteiligter Wissenschaftler. „Aber die Physik dahinter ist komplex. Die mathematischen Werkzeuge zur Berechnung ähneln denen der Einsteinschen Relativitätstheorie.“

Ein „Tarnmantel“ für größere Objekte bei Betrachtung im sichtbaren Bereich liegt deshalb noch in weiter Ferne. Das Verschwinden der Delle im Karlsruher Experiment war außerdem nur in einem begrenzten Wellenlängenbereich von 1,4 Mikrometer bis 2,7 Mikrometer, also im infraroten Bereich, feststellbar. Auch durfte der Beobachtungswinkel nicht über 60° liegen.

„Trotzdem ist das Ergebnis ein großer Fortschritt“ betont Professor Martin Wegener vom KIT.