Direkt zum Inhalt

Werkstoffe: Die Tarnkappe für alle rückt näher

Wird der Tarnmantel bald Realität für jeden Menschen? Speziell entwickelte Strukturen mit bizarren optischen Eigenschaften stehen jedenfalls kurz vor ihrem Sprung aus dem Labor auf den Markt.
MetamaterialLaden...

Tom Driscoll wäre glücklich, wenn er nie mehr "Tarnumhänge à la Harry Potter" hören müsste. Aber er weiß, dass er dem nicht entkommt. Die Medien scheinen diesem Vergleich nicht widerstehen zu können, wenn sie über die neuesten Fortschritte bei Metamaterialien berichten – Anordnungen winziger 'Zellen', die elektromagnetische Strahlung beugen, streuen, übertragen oder auf andere Weise formen können, wie es kein natürliches Material kann. Im Prinzip könnten Metamaterialien tatsächlich Licht um ein Objekt herumleiten, um es auf diese Weise unsichtbar zu machen, dem Umhang eines gewissen fiktionalen Zauberers nicht unähnlich. Und viele Forscher versuchen auch solche Tarnkappen in die Realität umzusetzen, nicht zuletzt, weil das Militär eifrig in die Entwicklung solcher Möglichkeiten investiert hat.

Sollten solche Anwendungen jedoch jemals Realität werden, wird es dazu noch Jahrzehnte brauchen. Technik, die näher an der Marktreife ist, sind für Driscoll viel interessanter. Der Physiker von der University of California in San Diego beaufsichtigt die Kommerzialisierung von Metamaterialien bei Intellectual Ventures, einer in Bellevue, Washington, ansässigen Firma, die Patente aufkauft. Es seien die Anwendungen zur billigeren Satellitenkommunikation, für dünnere Smartphones und ultraschnelle optische Datenverarbeitung, "in denen Metamaterialien nah dran sind, groß einzuschlagen", sagt er.

Forscher stünden noch immer vor einigen entmutigenden Herausforderungen, fügt er hinzu. Vor allem suchten sie billige Wege zur Herstellung und Bearbeitung der Metamaterialzellen auf der Nanometerskala. Doch schon in einem Jahr werden auf dem Markt die ersten Produkte erwartet, die auf Metamaterialien basieren. Driscoll glaubt, dass nicht lange danach auch Normalverbraucher in den Genuss der Vorteile kommen, etwa durch schnellere und billigere Internetverbindungen in Flugzeugen und in Handys. Früher hätten solche Anwendungen die Fantasie der Menschen angeregt – demnächst "könnten sich die Menschen ein Leben ohne sie nicht mehr vorstellen", glaubt er.

MetamaterialLaden...
Metamaterial | Die besonderen Strukturen von Metamaterialien machen sie zu einem begehrten Produkt für Techniker – nicht nur, weil sie theoretisch einen Tarnmantel ergeben könnten. Ihr praktischer Nutzen für optische oder elektronische Prozesse ist noch viel größer.

Der erste erfolgreiche Laborversuch mit Metamaterialien wurde im Jahr 2000 vom Physiker David Smith und seinen Kollegen von der University of California in San Diego verkündet. Ihre Versuche gründen auf theoretischen Arbeiten aus den 1990er Jahren von John Pendry vom Imperial College London. Die Forscher wiesen nach, dass eine Anordnung von dünnen Kupferdrähten und Ringen einen negativen Brechungsindex für Mikrowellen hat – Mikrowellenstrahlung, die in das Material eindringt, wird in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt als normalweise üblich. Dies löste immenses Interesse an Metamaterialien aus, zum Teil eben auch, weil die Fähigkeit, Strahlung auf diese Weise zu beugen, die prinzipielle Möglichkeit zur Entwicklung von Tarnkappen eröffnet.

Seitdem haben Smith und andere Forscher viele neue Ideen zu Metamaterialien durchdacht. Sie sind dabei auf der Suche nach anderen Wegen, die Strahlen zu beeinflussen, abseits des negativen Brechungsindex. Sie begnügen sich auch nicht mit statischen Strukturen, sondern ersannen Möglichkeiten, die Anordnung der Elemente ebenso zu ändern wie ihre Form und ihre Wirkung auf Strahlung. Die entwickelten Materialien wechseln unter anderem von undurchsichtig auf transparent oder von rot nach blau – auf Knopfdruck.

Die Eroberung der Märkte

Smith, der mittlerweile an der Duke University in Durham arbeitet, nahm im Januar einen weiteren Posten als Direktor für die Kommerzialisierung von Metamaterialien bei Intellectual Ventures an. "Ich fühlte, dass der richtige Zeitpunkt gekommen war und wir für einzelne Anwendungen keine weitere Grundlagenforschung mehr brauchten", sagt er. Schon im kommenden Jahr könnte der Ernstfall eintreten. Die Firma Kymeta aus Redmond, ein Ableger von Intellectual Ventures, hofft eine kompakte Antenne auf den Markt bringen zu können. Sie wäre eine der ersten kundenorientierten Anwendungen auf Basis von Metamaterialien. Die vergleichsweise günstige Anlage soll Breitband-Satellitenkommunikation von oder zu Flugzeugen, Zügen, Schiffen, Autos oder anderen Plattformen ermöglichen, die in abgeschiedenen Bereichen ohne Mobilfunknetze arbeiten.

Das Herz der Anlage – die Details werden geheim gehalten – bildet eine flache Leiterplatte, die tausende elektronische Metamaterialzellen enthält. Die Eigenschaften einer jeden Zelle kann von einem Augenblick zum anderen geändert werden, gesteuert von der internen Software der Anlage. Dies ermöglicht es der Antenne, einem Satelliten am Himmel zu folgen, ohne dabei eine bestimmte Ausrichtung gegenüber diesem einzuhalten, wie es beispielsweise eine Satellitenschüssel macht. Stattdessen verharrt die Antenne lagegetreu, während die Software permanent die elektrischen Eigenschaften jeder einzelnen Metamaterialzelle justiert. Wenn dies nach Plan geschieht, werden sich die von den Zellen ausgesandten Wellen gegenseitig verstärken und nur himmelwärts in Richtung des Satelliten fortpflanzen; Wellen, die in andere Richtungen ausgesandt werden, werden sich gegenseitig auslöschen. Zur gleichen Zeit und aus den gleichen Gründen ist die Anordnung darauf eingestellt, Signale aus der Richtung des Satelliten aufzunehmen.

Diese Technologie sei kompakter als ihre Alternativen wie die Satellitenschüssel, berichtet Smith. Sie biete jedoch "bedeutende Einsparungen bezüglich Kosten, Gewicht und Stromverbrauch". Kymeta hat Investoren und potenziellen Entwicklungspartnern die neue Technik schon demonstriert. Aber Smith warnt, dass die Firma noch einen Preis für die Antenne ansetzen müsse. Sie müsse weiter daran arbeiten, die Produktionskosten zu senken. Gleichzeitig müsse sie die hohen Leistungsstandards einhalten, die die Aufsichtsbehörde für alle Anlagen vorgeben, die mit Satelliten kommunizierten.

Bislang hat Kymeta so wenige Details über die Antenne preisgegeben, dass es für Forscher schwer ist, eine Beurteilung abzugeben. Doch Smith ist hoch angesehen auf diesem Gebiet. Falls Kymeta das Produkt auf den Markt bringt, wird die Antenne wohl zuerst als Anwendung in Privatjets und Passagierflugzeugen angeboten. Wenn die Nachfrage zufrieden stellend ist, hofft die Firma die Technologie auch in anderen Produktlinien einbauen zu können, beispielsweise in tragbaren, energieeffizienten Einheiten zur Satellitenkommunikation für Rettungskräfte oder Forscher in abgelegenen Gebieten.

Kamera für den Mikrowellenbereich

Im Januar erregte Smiths Gruppe große Aufmerksamkeit, als sie die Vorführung eines weiteren auf Metamaterial basierenden Apparats ankündigte: einer Kamera, die komprimierte Bilder im Mikrowellenbereich aufnehmen kann und dabei ganz ohne Linse oder bewegliche Bauteile auskommt. Eine wichtige Anwendung des Apparats könnte sein, die Kosten und die Komplexität von Sicherheitsscannern an Flughäfen zu reduzieren. Denn in ihrer jetzigen Form müssen die Scanner einen Mikrowellensensor über und um das Objekt fahren. Dies produziert eine unhandliche Datenmenge, welche zwischengespeichert werden muss, bevor sie zu einem Bild verarbeitet wird. Der Apparat der Gruppe von der Duke University hingegen beansprucht nur sehr wenig Speicherplatz. Er macht zahlreiche Schnappschüsse, indem er zehnmal pro Sekunde Mikrowellenstrahlen vielfältiger Wellenlängen auf das Ziel sendet. Wenn die Mikrowellen von dem Objekt reflektiert werden, fallen sie auf einen dünnen Streifen quaderförmiger Metamaterialzellen aus Kupfer. Jede Zelle kann unabhängig voneinander eingestellt werden und die reflektierten Strahlen blockieren oder durchlassen. Das resultierende Muster intransparenter und transparenter Zellen kann sehr schnell geändert werden. Jede Konfiguration lässt ein vereinfachtes Abbild des untersuchten Objekts durch. Das transmittierte Licht fällt auf einen einzelnen Sensor. Dieser misst die Gesamtintensität der Strahlung bei jeder Ansicht und gibt eine Reihe von Zahlen aus, die digital verarbeitet wird, um eine hochkomprimierte Bilddatei zu erstellen. Hieraus lässt sich die Aufnahme des Objekts rekonstruieren.

Dies ist zugegebenermaßen nur der erste Schritt: Die bislang durchgeführten Demonstrationen waren plumpe Versuche, die auf zweidimensionale Aufnahmen einfacher metallischer Objekte begrenzt waren. Die Weiterentwicklung der Kamera in Richtung dreidimensionaler Aufnahmen komplexer Objekte bleibt eine Herausforderung. Aber falls diese Aufgabe gelingt, dann könnten laut Driscoll Flughäfen die sperrigen, teuren und langsamen Kabinen aussortieren, die zurzeit die Sicherheits-Checkpoints dominieren. Stattdessen könnten sie eine größere Zahl an dünnen, preisgünstigen Metamaterialkameras nutzen, die an Computer angeschlossen sind. Solch eine Umstellung, meint Driscoll, könnte die Sicherheitskontrollen auf Räume, Treppenhäuser und Korridore innerhalb des Flughafens und anderer sensibler Einrichtungen ausweiten.

In der Zwischenzeit ist einer der Forschungsschwerpunkte von Smith und seiner Gruppe die Entwicklung von stabilen und marktreifen Bauteilen aus Metamaterial, deren Funktion nicht allein auf Radio-, Mikro- oder Infrarotwellen begrenzt ist. Falls die Technik auch mit sichtbarem Licht arbeiten könnte, würden sich die Anwendungsbereiche stark erweitern, etwa auf Kommunikation über Glasfaserkabel oder verbrauchernahe Kameras und Displays. "Es wird nicht einfach", warnt Stephane Larouche, ein Mitglied von Smiths Forschungsgruppe in Duke. Metamaterialien könnten nur dann Strahlung auf ihre besondere Weise beeinflussen, wenn ihre Zellen sowie die Zwischenräume kleiner seien als die Wellenlänge der Strahlung, erklärt er. "Je kleiner also die Wellenlängen sind, die wir nutzen wollen, desto kleiner muss jede Metamaterialzelle sein", sagt Larouche.

Im Bereich von Mikro- und Radiowellen ist das vergleichsweise einfach: Diese Wellenlängen betragen Zentimeter oder Meter. Aber Metamaterialzellen, die auch im Bereich von sichtbarem Licht arbeiten sollen, müssten erheblich kleiner als ein Mikrometer sein. Das ist nicht unmöglich: Die heutigen Hochleistungsmikrochips enthalten Bauteile, die nur wenige zehn Nanometer breit sind. Doch diese Bauteile seien im Wesentlichen statisch, sagt Larouche. Im Gegensatz dazu müssten die Metamaterialzellen zumeist in der Lage sein, ihre Eigenschaften mittels Software dynamisch, den Erfordernissen entsprechend, zu ändern. "Allzu oft haben wir großartige Ideen", erzählt er, "aber wir haben keine Möglichkeit, diese umzusetzen."

Eine Sache von Jahrzehnten?

Trotz dieser Schwierigkeiten erscheinen immer mehr geeignete Entwürfe für Metamaterialien im Bereich sichtbaren Lichts. Eine wurde im März veröffentlicht von einer Gruppe um Nikolay Zheludev, Physiker an der University of Southampton. Das Bauteil des Teams kann seine Eigenschaften stark verändern, um so sichtbares Licht auf Strecken von Nanometern wahlweise durchzulassen oder zu reflektieren. Die Metamaterialzellen, die elektronisch geschaltet werden, werden aus einer dünnen Goldschicht geätzt. Eines Tages könnte diese Konstruktion als Schalter in einem Highspeed-Glasfasernetz dienen.

Da dreidimensionale Metamaterialstrukturen für das optische Spektrum so schwer herzustellen und zu kontrollieren sind, konzentrieren sich in der Zwischenzeit einige Forscher auf zweidimensionale "Metaoberflächen". Im August 2012 stellte eine Gruppe, angeführt von Federico Capasso von der Harvard University in Cambridge, eine flache Metamateriallinse vor, die infrarotes Licht auf etwa die gleiche Weise auf einen Punkt hin fokussieren kann wie eine Glaslinse. "Ich möchte für uns nicht in Anspruch nehmen, etwas völlig Neues geschaffen zu haben", sagt Capasso, "aber ich glaube, wir sind die erste Gruppe, die die zweidimensionale (flache) Optik so deutlich auf die Tagesordnung der kommerziellen Anwendungen gesetzt hat."

Eine konventionelle Linse nutzt Brechungseffekte, um Licht auf einen Punkt hin zu beugen, indem es das Licht durch verschiedene Dicken von Glas leitet. Capassos Linse lenkt das Licht durch ein zweidimensionales Raster von Metamaterialzellen aus Gold. Gefertigt wurden diese aus einem 60 Nanometer dicken Siliziumwafer. Die Zellen sind starr, können also nach der Fertigung nicht mehr verändert werden. Aber indem sie die Größe und die Zwischenräume während der Fertigung speziell wählen, können die Physiker das Licht einer bestimmten Wellenlänge genau so formen, dass sich die Strahlen in einem Punkt treffen.

Laut Capasso werden kommerzielle Anwendungen solcher flachen Linsen wahrscheinlich noch ein Jahrzehnt auf sich warten lassen. Dies liegt zum Teil daran, dass Silizium ein steifes und fragiles Substrat beim Ätzen der Zellen ist; Forscher suchen nach robusteren und flexibleren Alternativen, die beim Herstellungsprozess einfacher zu handhaben sind. Sie suchen weiterhin nach besseren Wegen, das Ausschneiden der nanometergroßen Zellen zu kontrollieren. Eine präzise Verarbeitung ist hier entscheidend.

Sobald die Technik aber beherrscht wird, sagt Capasso, sind Smartphone-Kameras eine der offensichtlichen Anwendungen. Neben Batterien limitierten Linsen am stärksten die Dicke eines Smartphones, sagt er. Er sinniert, Smartphones mit einer integrierten flachen Kameralinse wären möglicherweise "so dünn wie eine Kreditkarte". Die flachen Linsen sind zudem frei von Aberration, die bei Glaslinsen stört. Ein Beispiel sind die Farbsäume, die daraus resultieren, dass nicht alle Wellenlängen auf den gleiche Punkt hin fokussiert werden. Capassos flache Linse könnte also auch genutzt werden, um bessere, aberrationsfreie Mikroskope herzustellen.

Die Zukunft gehört der Superlinse

Gleich, wie gut diese flachen Linsen letztendlich auch sein werden, unterliegen sie noch immer der Auflösungsgrenze. Nach dieser kann eine konventionelle Linse keine Details auflösen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, das das Objekt beleuchtet. Diese Grenze liegt bei etwa 200 Nanometern für sichtbares Licht. Doch Metamaterialien ermöglichen die Herstellung von 'Superlinsen', welche diese Grenze wahrscheinlich unterlaufen. Hierdurch könnten Forscher Details des Objekts im Subwellenlängenbereich erkennen, die also kleiner sind als die Wellenlängen, wie etwa Viren oder die sich stetig ändernden Strukturen einer lebenden Zelle.

Entscheidend ist hierbei zu verstehen, dass die gesuchten Details tatsächlich vorliegen. Sie werden übermittelt in 'flüchtigen' Wellen des reflektierten Lichts, die unterwegs sehr schnell mit dem Abstand zum beleuchteten Objekt zerfallen. Normalerweise sind diese Wellen praktisch verschwunden, bevor sie von einer Linse erfasst und fokussiert werden können. Aber eine Superlinse aus Metamaterial kann sie aufnehmen und vergrößern, wenn sie nur wenige zehn Nanometer entfernt vom Objekt positioniert wird.

Ein erster Machbarkeitsnachweis von Superlinsen wurde im Jahr 2005 demonstriert durch eine Gruppe unter der Leitung von Xiang Zhang, Physiker an der University of California in Berkeley. Zhangs Gruppe stellte ein einfaches Metamaterial her, bestehend aus einer 35 Nanometer dicken Lage von Silber, die zwischen nanometerdicken Lagen von Chrom und Plastik eingeklemmt wird.

Die Gruppe arbeitet seitdem daran, das Konzept der Superlinsen zu verfeinern. 2007 kamen die Forscher ihnen durch die Entwicklung von 'Hyperlinsen' einen Schritt näher. Diese sind gewölbte und verschachtelte Lagen unterschiedlicher Verbindungen, etwa aus Silber, Aluminium oder Quarz. Solche Linsen erfassen nicht nur die flüchtigen Wellen, sondern können sie sogar in ein konventionelles optisches System einspeisen. Letzten Endes könnte das die Beobachtung von Details im Bereich der Subwellenlänge ermöglichen – durch das Okular eines normalen Mikroskops. Aber die Komplexität der Struktur und des Verhaltens von Hyperlinsen erschwert die Herstellung und ihre Nutzung für diesen Zweck.

Experimente eines Pioniers

Durch die Verbindung von konventioneller Optik mit Superlinsen und Hyperlinsen, welche auf Metamaterialien basieren, hofft Zhang mögliche Anwendungen weit außerhalb der Mikroskopie zu finden. So wie diese Gebilde Details von Subwellenlängen vergrößern, könnten sie auch für den entgegengesetzten Prozess eingesetzt werden: Sie fokussieren Lichtstrahlen in einen Brennpunkt mit kleinerer Auflösung als der Wellenlänge – eine Eigenschaft mit möglicherweise revolutionärer Bedeutung für die Herstellung winziger Strukturen mittels Fotolithografie. Falls Superlinsen und Hyperlinsen für solche Anwendungen eingesetzt werden könnten, ließe sich der ultrafeine Lichtstrahl nutzen, um viel kleinerer Bestandteile zu ätzen, als es bislang möglich ist. Dies erhöhte die Dichte von Speicherträgern auf optischen Laufwerken drastisch, ebenso die Zahl der Bauteile, die auf einen Computerchip gepackt werden können.

Smith ist mit seiner Bewertung zurückhaltender. Er weist darauf hin, dass Hyperlinsen und Superlinsen dazu neigen, wesentlich mehr Lichtenergie zu zerstreuen als sie durchzuleiten, verglichen mit anderen zukunftsweisenden Lithografietechniken, die zurzeit entwickelt werden. Er sagt, dies mache sie zu einem ausgezeichneten Beispiel für "starke und fesselnde Grundlagenforschung, die noch nicht bereit für irgendeine kommerzielle Nutzung" im Bereich von sichtbarem Licht sei. Allerdings, fügt er hinzu, seien Zhangs Bestrebungen "Experimente eines Pioniers, die das Potenzial von Metamaterialen auf grundlegende Weise verdeutlichen".

Zhang gibt zu, dass die Zeit für Hyperlinsen und Superlinsen noch nicht gekommen sei. Es gebe viele Möglichkeiten für kommende Forschung gebe, um dies in den nächsten Jahren zu ändern. "Die wirtschaftliche Bedeutung könnte riesig sein", sagt er. "Ich bin vorsichtig optimistisch, dass sich Metamaterialien, Superlinsen und Lithografie als wahrhaft revolutionär erweisen werden. Wenn die Menschen nicht zu kurzsichtig sind, dann wird das, was wir mit Metamaterialien alles erschaffen können, nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt."

Der Artikel erschien unter dem Titel "Metamaterial World" in Nature 500, S. 138-141, 2013.

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Partnerinhalte