Dünne Silberschichten für schnellere optische Schaltkreise

Mit neuartigen, hoch symmetrisch strukturierten Metamaterialien können Physiker Lichtwellen um ein Objekt herumleiten. Doch dieser Tarnkappen-Effekt ist nicht der einzige Vorteil solcher optischen Werkstoffe. Eine weitere Anwendung könnten schnellere Prozessoren sein, die die Daten per Licht und nicht mehr mit Elektronen verarbeiten. Wissenschaftler aus den USA veröffentlichen nun in der Fachzeitschrift „Nature“ ihre Ergebnisse zu einem sehr dünnen Metamaterial aus Silber, als hyperbolische Metaoberfläche bezeichnet. Dieses Material hat einen natürlicherweise nicht vorkommenden negativen Brechungsindex für sichtbares Licht gezeigt. Als vorteilhaft könnten sich auch die sehr geringen Strahlungsverluste erweisen, da durch diese sonst einfallende Lichtwellen geschwächt werden.

Vergrößertes leicht unscharfes Bild einer Materialoberfläche mit gleichmäßigen Rillen, in denen teilweise schräg dazu Furchen verlaufen.
Metafläche aus Silber

„Diese Ergebnisse öffnen die Tür zu integrierten optischen Schaltkreisen mit Metamaterialien“, schreiben Alexander A. High und seine Kollegen von der Harvard University in Cambridge. Für die Produktion ihrer hyperbolischen Metaflächen nutzten sie gängige Strukturierungsverfahren wie die Elektronenstrahl-Lithografie und das Plasma-Ätzen. So konnten sie aus einer hauchdünnen, einkristallinen Schicht aus Silber, die sie zuvor auf Aluminiumoxid deponierten, eine nanostrukturierte Fläche fertigen. Dabei ordneten sie zahlreiche, nur 90 millionstel Millimeter breite Silberwälle parallel zueinander an.

Auf diese Struktur strahlten High und Kollegen sichtbares Licht mit verschiedenen Farben. Oranges Licht mit einer Wellenlänge von 560 Nanometern durchdrang die dünne Silberschicht ohne jede Brechung. Rotes Licht mit längeren Wellenlängen wurde klassisch mit einem positiven Brechungsindex umgelenkt. Bei kurzwelligem grünen und blauem Licht zeigte die Metaoberfläche dagegen einen negativen Brechungsindex: Der Lichtstrahl wurde vom Lot weg gebrochen, obwohl er sich aus dem dünneren Medium Luft in das dichtere Medium einer Silberschicht ausbreitete. Zugleich wurde die Intensität des Lichtstrahls sehr viel weniger geschwächt als in anderen optischen Werkstoffen wie etwa Glas.

Im Unterschied zu bisher in vielen Laboren gefertigten Metamaterialien und Linsen mit negativem Brechungsindex waren die Silberschichten sehr dünn. Wegen ihrer geringen Ausmaße könnten sie leichter in photonische Chips integriert werden, die in Zukunft digitale Daten mit Licht rasant verarbeiten sollen. High und Kollegen sind davon überzeugt, dass sich ihre hyperbolischen Metaflächen in vielen Varianten auch aus anderen Metallen als Silber fertigen lassen. Angepasst an die jeweils genutzte Lichtwellenlänge könnten damit optische Schaltkreise mit extrem geringen Strahlungsverlusten realisiert werden. Ob die nanostrukturierten Metallschichten auch zu handlicheren oder auch flexiblen Tarnkappen geeignet sind, müssten jedoch erst weitere Versuche zeigen.