Meta-Materialien – Manipulatoren des Lichts

Bild-Metamaterial-Symbol

Metamaterialien haben eine Struktur, die Strahlung auf “unmögliche” Weise brechen kann.

imagenavi, Getty Images

Auf den ersten Blick sehen die meisten Metamaterialien ziemlich seltsam aus. Denn sie ähneln optisch gewöhnlichen Kristallen oder glatten Oberflächen. Auch ihre Zusammensetzung dürfte nicht sonderbar sein: Manche sind aus Metall, andere aus Silikon oder sogar Kunststoff. Sie bewirken jedoch, dass sich Licht und andere elektromagnetische Strahlung auf eine Weise verhalten, die unmöglich erscheint.

Unmögliche Pause

Beispielsweise können einige Metamaterialien die Richtung, Phase und Polarisation eines Lichtstrahls so ändern, dass er das Licht effektiv in den Rückwärtsgang treibt. Der Strahl wird durch das Material genau entgegengesetzt gebrochen, wie es bei gewöhnlichem Material üblich ist. Das führt zu dem paradoxen Effekt, dass eine Sammel-Konkav-Linse aus diesem Metamaterial das Licht nicht bündelt, sondern streut. Im Gegenteil, die Streulinse wird das Licht sammeln – es scheint, als wären die Gesetze der Physik auf den Kopf gestellt worden.

Dieser paradoxe Effekt ist möglich, weil diese Metamaterialien einen negativen Brechungsindex haben. Dadurch wird die Strahlung beim Eintritt in dieses Material nicht in Richtung der Vertikalen gebrochen, sondern in entgegengesetzter Richtung. Der russische Physiker Victor Veselago sagte 1968 voraus, dass solche Materialien existieren und hergestellt werden könnten. Da jedoch negative Brechungsindizes in der Natur nicht vorkommen, hielt man dies lange für unmöglich. Inzwischen haben Wissenschaftler eine Vielzahl unterschiedlicher Metamaterialien entwickelt.

Linsen, Adapter und Hologramme

Die Fähigkeit von Metamaterialien, Strahlung, insbesondere Licht, auf eine Weise zu manipulieren, die zuvor für unmöglich gehalten wurde, eröffnet völlig neue Anwendungsgebiete. Diese Materialien werden heute vor allem in der Optik eingesetzt, um neuartige Linsen und Displays für Kameras, Mikroskope und 3D-Projektoren zu entwickeln. US-Forscher haben kürzlich ein Kameraobjektiv aus einem Metamaterial entwickelt, das nur einen halben Millimeter groß ist, aber in Auflösung und Lichtstärke mit einem klassischen Kameraobjektiv mithalten kann, das 500.000-mal größer ist.

Einige Epitope können auch als eine Art Lichtwandler fungieren: Sie wandeln energiearme langwellige Strahlung in kurzwelligere Strahlung um – was ohne Stromquelle eigentlich unmöglich ist. Möglich wird dies durch den Resonanzeffekt, der die Frequenz der Strahlung verdoppelt. Auch Hologramme und 3D-Videos können mit speziellen Metamaterialien erstellt werden.

Es hängt alles von der Struktur ab

Aber was ist das Geheimnis dieser Fähigkeiten? Das wichtigste Merkmal von Metamaterialien ist ihre Struktur: Sie enthalten sich wiederholende kleine Grundeinheiten, die die Übertragung von Licht und anderer Strahlung ähnlich wie ein gewöhnlicher Kristall beeinflussen. Die geringe Größe und spezielle Form dieser Einheiten ermöglichen es Metamaterialien jedoch, Strahlung auf physikalisch ungewöhnliche Weise zu manipulieren.

Die Größe der Metamaterialstruktur hängt von der Wellenlänge der Strahlung ab: Eine ungerade Brechung tritt nur auf, wenn die sich wiederholenden Basiseinheiten kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der einfallenden Strahlung sind. Handelt es sich bei dem Metamaterial also um langwellige Strahlung wie Radar- oder Radiowellen, können die Zellen mehrere Zentimeter groß sein. Bei sichtbarem Licht hingegen bewegen sie sich im Nanometerbereich.

Metalllinse für Radiowellen

Metalllinse für Radiowellen

Handwerkskunst aus dem Labor: Diese Funkwellenblende besteht aus 4000 Kupfer-S-Haken.

Material: von Silikon bis Kupfer

Auch woraus das Metamaterial besteht und wie seine Struktur aussieht, kann völlig unterschiedlich sein. Einige dieser Strukturen bestehen aus kleinen Röhren, Folien oder Säulen, die in Siliziumwafer eingebettet sind. Die regelmäßige Anordnung von Schlitzen, Löchern oder einer ähnlichen Struktur aus kleinen gestapelten Baumstämmen kann ebenfalls zu einem übernatürlichen Material werden. Andere Varianten tragen kleine Federn aus Metallen oder Metallverbindungen auf ihrer Oberfläche, deren Geometrie und Abstand seltsame Brechungseffekte hervorrufen.

Die bahnbrechende Linse, mit der Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) Radiowellen manipulieren, ist fast ein Kunstwerk: Die flache, konkave Struktur besteht aus mehr als 4.000 S-förmigen Kupferhaken, die jeweils nur wenige Millimeter groß sind. Diese Grundeinheiten sind so miteinander verbunden, dass sie eine vier Zentimeter dicke und 25 Zentimeter breite Linse bilden, die für Mikrowellen und Radiowellen durchlässig ist. Mit einem negativen Brechungsindex kann dieses kettenhemdartige Metamaterial Strahlung bis zu einer Länge von nur wenigen Metern brechen und fokussieren.

Metamaterial als Tarnmantel

Übernatürliche Materialien können den alten Traum vom Tarnumhang oder Unsichtbarkeitsumhang Wirklichkeit werden lassen. Bis zu einem gewissen Grad funktioniert es tatsächlich, Menschen unsichtbar zu machen: Wissenschaftler haben Tarnumhänge für Mikrowellen, Infrarot und sogar einzelne Bereiche des sichtbaren Lichts entwickelt. Es ist jedoch völlig unpraktisch und kann nur Dinge verbergen, die viel kleiner sind als es. „Es ähnelt eher Harry Potters Schuppen als Harry Potters Umhang“, erklärt John Pendry vom Imperial College London.

Tarnmantel-Symbolbild

Tarnmantel-Symbolbild

Das ultradünne Metamaterial des an der University of California in Berkeley entwickelten Tarnmantels ist mit Goldnuggets bedeckt, die das einfallende Licht manipulieren.

Chiang Chang Group / Universität von Kalifornien in Berkeley

Doch der echte Harry-Potter-Tarnmantel rückt langsam näher: 2015 stellten Forscher der University of California, Berkeley, erstmals ein hauchdünnes Material vor, das größere, unregelmäßig geformte Objekte verbergen kann. Das neue „Camouflage Cloth“ besteht aus einem nur 80 Nanometer dicken Supermaterial, das sich wie eine dünnere Haut an die Unterlage anschmiegt. Auf seiner Oberfläche befindet sich eine Nanostruktur aus winzigen Goldnuggets, die das einfallende Licht so manipulieren, dass die Fehler verborgen werden.

Allerdings: Bisher funktioniert die Tarnung dieses Überhangs nur mit Licht einer bestimmten Wellenlänge – in diesem Fall rotes Licht mit einer Wellenlänge von 730 Nanometern. Es wird also wahrscheinlich noch lange dauern, bis es Metamaterialien gibt, die etwas oder jemanden im gesamten Wellenlängenbereich des Lichts unsichtbar machen können.

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