22.03.10 Metamaterial macht kleine Objekte im Infrarot-Bereich unsichtbar

Endlich unsichtbar

Karlsruher Forscher realisieren dreidimensionale optische Tarnkappe

Vor einigen Jahren eröffnete die Theorie der Transformationsoptik auf dem Papier einen Weg, eine optische Tarnkappe zu konstruieren. Im Experiment wurden jedoch für den Bereich optischer Wellenlängen bisher nur Strukturen realisiert, die in zwei Dimensionen wirksam waren. In einer aktuellen Publikation präsentieren Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Imperial College in London nun erstmals eine optische Tarnkappe für dreidimensionale Objekte.

Abb. 1: Im Elektronenmikroskop ist die eigentliche optische Tarnkappe unter der Wölbung im Goldfilm (gelbrot) erkennbar (Colorierte REM-Aufnahme)
Quelle: CFN

Tatsächlich ist das Objekt, das Professor Martin Wegener und seine Arbeitsgruppe am DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des KIT scheinbar verschwinden lässt, lediglich eine kleine, ein Tausendstel Millimeter (Mikrometer) hohe Beule in einem dünnen Goldfilm. „Trotzdem ist das Ergebnis ein großer Fortschritt“, betont der Physiker. „Bisher beruhten Tarnkappen auf Wellenleitern, die praktisch zweidimensional sind. Sobald man jedoch aus der dritten Dimension auf die Struktur schaut, ist die Wirkung dahin.“

Den Durchbruch ermöglicht ein Verfahren, das die Wissenschaftler von wenigen Jahren am CFN entwickelt haben: Beim Direkten Laserschreiben (DLS) schreibt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift in alle drei Raumrichtungen. „Damit produzieren wir 3D-Strukturen mit optischen Eigensschaften, die es in der Natur nicht gibt“, erläutert Wegeners Mitarbeiter Tolga Ergin. Diese sogenannten Metamaterialien sind also künstlich hergestellte Strukturen, die sich wie ein einheitliches Material verhalten und Eigenschaften besitzen, die in der Natur nicht vorkommen. Sie sind aus gleichartigen, regelmäßig angeordneten Elementen aufgebaut, die, obwohl deutlich größer als Atome in einem Kristall, wie diese mit elektromagnetischen Wellen wechselwirken. Mit nanotechnologischen Methoden produzierte Metamaterialien bestehen aus so kleinen Einheiten, dass sie elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen vom Sichtbaren bis hin zum Infrarot-Licht beeinflussen können.

Die am CFN produzierte Tarnkappen-Metamaterialien sehen wie Holzstapel aus. In der Nähe der kleinen Beule haben sie eine Region, in der sich der Brechungsindex für elektromagnetische Wellen im optischen Bereich kontinuierlich ändert. Dadurch werden Lichtwellen, die das gewölbte Objekt normalerweise seitlich reflektieren würde, so beeinflusst und umgelenkt, dass nur ein gleichförmiges Lichtsignal registriert wird. „Wir sehen quasi eine glatte Fläche ohne Beule“, so Dr. Nicolas Stenger, Mit-Autor der Arbeit. „Aber die Physik dahinter ist komplex. Die mathematischen Werkzeuge zur Berechnung ähneln denen der Einsteinschen Relativitätstheorie.“

Die Messung selbst erfolgt an einem experimentellen Aufbau, der einem gewöhnlichen optischen Mikroskop gleicht. Dabei funktioniert die optische Tarnkappe sogar besser als von den Wissenschaftlern erwartet, denn der Effekt zeigt sich über einen breites Wellenlängenspektrum von 1,5 bis 2,6 Mikrometer. "Das ist nicht der Bereich des sichtbaren Lichts", räumt Wegener ein. "Diese Wellenlängen im nahen Infrarot sind jedoch für die Telekommunikation bedeutsam."

Mit ihrer DLS-Technik könnten die Karlsruher prinzipiell auch Metamaterialien herstellen, um ganze Menschen verschwinden zu lassen. "Nur würde die Herstellung extrem lange dauern", scherzt Wegener. Wichtiger sind ihm die optischen Tarnkappen ohnehin als experimentelles Werkzeug zur Erforschung der Transformationsoptik. Von ihr erhofft er sich Impulse zur Entwicklung komplexer Komponenten für die Optik und Photonik.

Quelle:

Three-Dimensional Invisibility Cloak at Optical Wavelenghts
T. Ergin, et. al., Science 2010, DOI: 10.1126/science.1186351

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Metamaterial macht kleine Objekte im Infrarot-Bereich unsichtbar
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/mae/tarnkappe.shtm)

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