Tarnkappe rückt näher: Karlsruher Forscher bauen Metamaterial für sichtbares Licht

Erst vor wenigen Monaten ließen amerikanische Physiker von der Duke University in Durham einen Kupferblock in einem Tarnbehälter verschwinden. Allerdings nur im Mikrowellenspektrum. Diese Wellen breiteten sich um dieses Gefäß aus, als ob es gar nicht vorhanden wäre. Karlsruher Forschern gelang nun der wesentliche Schritt, dieses Phänomen auch in den sichtbaren Spektralbereich zu verlagern.

Karlsruhe - Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, bauten sie mit Unterstützung eines griechischen Kollegens das erste so genannte Metamaterial, das für rotes Licht einen negativen Brechungsindex aufweist.

Lichtwellen werden von diesen Metamaterialien nicht wie von allen anderen bekannten optischen Werkstoffen vom Lot weg, sondern umgekehrt zum Lot hin gebrochen. "Das bedeutet, dass die Phasengeschwindigkeit des Lichts negativ ist. In anderen Worten: Lichtwellen haben nun einen 'Rückwärtsgang'", schreiben Costas Soukoulis von der Iowa State University und seine Kollegen Stefan Linden und Martin Wegener vom Forschungszentrum Karlsruhe. Nur sechs Jahre, nachdem das erste Metamaterial mit negativem Brechungsindex überhaupt hergestellt werden konnte, schafften die drei Wissenschaftler den bedeutenden Schritt in das sichtbare Lichtspektrum.

Für diesen Erfolg war es nötig, feinste regelmäßige Strukturen in einen Werkstoff zu bannen. Soukoulis entwickelte das spezielle Fischnetz-Design, das die Karlsruher Forscher darauf in mehrere Lagen aus Silber und Magnesiumflourid ätzten. Dabei ordneten sie viele nur etwa 100 millionstel Millimeter kleine Löcher in diese Schichten, die auf einem Glasträger deponiert wurden. Das Ergebnis: Rotes Licht mit der Wellenlänge von 780 Nanometern wurde von diesem Metamaterial mit einem Brechungsindex von –0,6 quasi in die "falsche" Richtung abgelenkt.

Auch wenn mit diesem Durchbruch prinzipiell Tarnkappen für rotes Licht möglich wären, haben die Forscher andere Anwendungen im Blick. Superflache Linsen aus diesem Material könnten das Auflösungsvermögen von optischen Mikroskopen deutlich erhöhen. "Mit einer solchen Linse lassen sich Details erkennen, die viel kleiner sind als die Lichtwellenlänge", sagt Soukoulis. Bildgebungsverfahren für Werkstoffe und biomedizinische Anwendungen könnten so enorm verbessert werden. Nun gilt es, die optischen Eigenschaften dieses neuen Metamaterials weiter zu verbessern und geeignete Produktionsprozesse zu entwickeln. Nanostempel oder holografische Lithografie könnten hier hilfreich sein. Neben den Superlinsen halten die Forscher viele weitere Anwendungen für möglich. "Bei diesem Vorhaben setzen nur unsere Vorstellungskraft und Kreativität die Grenzen", schreiben die Wissenschaftler.