Forscher stellen neue Regeln der Lichtbrechung auf

Mit Nanostrukturen auf einem Spiegel lassen sich Reflexionen gezielt kontrollieren.

Lichtreflexionen
Lichtreflexionen

Cambridge (USA) - Langgezogene Köpfe, spindeldürre Beine und dicke Bäuche: Gewölbte Zerrspiegel im Spiegelkabinett verwandeln jeden Menschen in eine Figur zum Schmunzeln. Doch die gleichen Effekte der Lichtbrechung lassen sich auch mit ganz flachen Spiegeln erreichen. Winzige Strukturen in der Grenzschicht zwischen Luft und Spiegelfläche genügen, um die altbekannten Regeln der Lichtbrechung auszuhebeln. Eine Gruppe aus Physikern hat nach zahlreichen Experimenten genauere Gesetze für die Reflexion von Lichtwellen aufgestellt und in der Zeitschrift "Science" veröffentlicht. Ihr Ergebnis: Der in der Schule gelernte Grundsatz "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" gilt längst nicht immer.

"Über das Design der Oberfläche haben wir die Effekte von Zerrspiegeln mit flachen Reflektoren erreicht", sagt Federico Capasso von der Harvard University in Cambridge. Dazu lagerten er und seine Kollegen millionstel Millimeter kleine Goldstückchen in einen polierten Spiegel aus Silizium ein. Diese Partikel wirken auf Lichtwellen wie kleine Antennen, speichern die Energie des Lichts für kurze Zeit und setzen anschließend wieder veränderte Lichtpulse aus. All das geschieht, bevor das Licht auf den eigentlichen Siliziumspiegel auftrifft. Die Folge: Beim Übergang aus der Luft werden Lichtwellen zweimal gebrochen und reflektiert - statt nur einmal wie bei einem konventionellen Spiegel ohne Nanostrukturen.

Dieses bizarre Verhalten der Lichtwellen konnten Capasso und Kollegen auch in mathematischen Formeln festhalten. Diese verbesserten Regeln für die Lichtbrechung zeigen, dass sich Licht noch viel umfassender kontrollieren lässt als bisher angenommen. Je nachdem wie die winzigen Strukturen in der Spiegelfläche geformt sind, kann nicht nur der Reflexionswinkel in nahezu alle Richtungen verändert, sondern auch die Farbe, Intensität und Polarisation der Lichtwellen beeinflusst werden. In einem weiteren Versuch gelang es beispielsweise, Lichtwellen in Spiralen zu reflektieren.

"Unsere Entdeckung eröffnet der Optik ein neues Feld mit aufregenden Entwicklungsmöglichkeiten in der Lichttechnologie", sagt Capasso. Und dabei hat der Forscher nicht nur flache Zerrspiegel für den Jahrmarkt im Sinn. So könnten mit nanostrukturierten Spiegelflächen vollkommen flache Linsen in Kameraobjektiven Lichtwellen ohne Verzerrungen fokussieren. Zudem bieten diese Reflektorflächen für die Entwicklung schneller und leistungsstarker Photonikchips neue Möglichkeiten der Lichtkontrolle.

Da diese in Spiegelflächen eingelagerten Nanostrukturen im Prinzip die gleichen optischen Effekte erzeugen wie sogenannte Metamaterialien, wären sogar Linsen mit negativem Brechungsindex oder in Zukunft optische Tarnkappen vorstellbar.