Superlinse für Ultraschall

Mit Metamaterialien lassen sich nach Lichtwellen nun auch Schallwellen auf völlig neue Wege leiten

Akustische Hyperlinse
Akustische Hyperlinse

Berkeley (USA) - Tarnkappen oder extrem flache Linsen stehen im Mittelpunkt des boomenden Forschungsfeld der Metamaterialien. Doch nicht nur Licht, sondern auch Schallwellen lassen sich durch die streng symmetrischen Strukturen auf bisher unbekannte Wege lenken. So schufen amerikanische Physiker nun die weltweit erste Hyperlinse für Schallwellen. Wie sie in der Fachzeitschrift "Nature Materials" berichten, könnte damit die Auflösung von Ultraschallaufnahmen um ein Vielfaches gesteigert werden.

"Unsere akustische Hyperlinse komprimiert abklingende Wellen in das Band der fortschreitenden Wellen", sagt Lee Fok von der University of California in Berkeley. Durch diesen – in der Natur nicht möglichen – Effekt gelingt es, Strukturen kleiner als die halbe Wellenlänge dennoch mit Schall darstellen zu können. Dazu ordneten Fok und seine Kollegen insgesamt 36 knapp 22 Zentimeter lange und etwa drei Millimeter hohe Lamellen aus Messing strahlenförmig in einem Halbkreis an. Diese symmetrische Anordnung macht ein typisches Metamaterial aus. Der Halbkreis wirkte wie eine akustische Hyperlinse auf Schallwellen, die von zwei getrennten Quellen im Halbkreismittelpunkt ausgesendet wurden.

Die Schallsignale mit Frequenzen zwischen 4,2 und 7 Kilohertz breiteten sich durch die Zwischenräume der Lamellen aus und wurden dahinter von Schalldetektoren aufgezeichnet. Nun entsprach der Abstand der Schallquellen mit etwa 1,2 Zentimeter nur einem Siebtel der verwendeten Wellenlängen, so dass normalerweise die beiden Schallquellen nicht mehr voneinander zu unterscheiden wären. Doch mit der hoch symmetrischen Hyperlinse, die die Schallwellen leitete und verstärkte, verzeichneten die Sensoren Schallsignale, die eindeutig von unterschiedlichen Quellen stammen mussten.

Dieses Experiment zeigt erstmals, dass nicht nur Licht-, sondern auch Schallwellen mit Hyperlinsen aus Metamaterialien gezielt beeinflusst werden können. Auf dieser Basis sind Ultraschallgeräte möglich, mit denen sich um ein Vielfaches genauer in Körper von Patienten schauen ließe. Auch bei der Analyse vom Zustand von Bauwerken könnten Ultraschallgeräte mit Hyperlinsen Anwendung finden. Erreicht haben die Forscher dieses Ziel aber noch nicht. Derzeit wollen sie ihre zweidimensionale Hyperlinse auch auf die dritte Raumdimension erweitern. Aber erste praktische Anwendungen halten sie bereits in wenigen Jahren für möglich. Damit würden die Schalllinsen mit großer Wahrscheinlichkeit weit vor allen optischen Anwendungen für Metamaterialien die Marktreife erlangen.