Perfekte Linsen, Frequenzverdoppler und negativer Brechungsindex: Metamaterialien könnten optische Technologien revolutionieren

Schon vor knapp vier Jahrzehnten wurden sie theoretisch vorhergesagt. Aber erst in diesen Jahren entwickeln Physiker immer mehr nanostrukturierte Metamaterialien, die die Gesetze der Optik auf den Kopf stellen.

Karlsruhe - Neben perfekten Linsen und winzigen Richtantennen halten Physiker sogar Anwendungen bei neuen Beschichtungen von Tarnkappenflugzeugen und Radarkuppeln für möglich. Karlsruher Wissenschaftler gelang nun ein weiterer Schritt bei der Erforschung dieser Metamaterialien. In der Zeitschrift "Science" berichten sie, dass nicht nur das elektrische Feld einer elektromagnetischen Welle, sondern auch das magnetische Feld eine große Rolle bei nichtlinearen optischen Effekten in diesen neuen Strukturen spielt.

"Allein eine clevere geometrische Struktur erlaubt es, optische Eigenschaften zu generieren, die es in der Natur nicht gibt", sagt Stefan Linden vom Institut für Angewandte Physik an der Universität Karlsruhe. Mit seinem Team verwirklichte der Forscher einen nanostrukturierten, so genannten Split-Ring-Resonator aus Gold. Nach der Einstrahlung von infrarotem Laserlicht (Wellenlänge ~1500 Nanometer) reagierte dieses Metamaterial mit der Aussendung von Photonen im Bereich von 800 Nanometern und der doppelten Frequenz.

Zwar werde Frequenzverdopplung schon bei grünen Laserpointern, in dem die Frequenz von nahinfrarotem Licht verdoppelt wird, angewendet, so Linden. Doch bei diesen Modulen spiele nur das elektrische Feld eine Rolle. In ihrem Ringresonator mit wenige hundert Nanometer kleinen Strukturen ist dagegen im wesentlichen das magnetische Feld für die Frequenzverdopplung verantwortlich. Der Grund liegt in der Lorentz-Kraft, die beim Lichteinfall in dem Karlsruher Metamaterial wirkt. In Abhängigkeit vom magnetischen Feld B erhält man eine oszillierende Elektronenbewegung mit der doppelten Frequenz des Lichtes. Für freie Elektronen im Vakuum ist ein vergleichbarer Effekt als Larmor-Strahlung bekannt.

Von einer technischen Anwendung seien diese Metamaterialien laut Linden allerdings noch weit entfernt. "Unsere Experimente sind reine Grundlagenforschung." Doch prophezeit er den Metamaterialien ein großes Potenzial. "Sie könnten zu einer Revolution bei den optischen Materialien führen."