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News: Metalinse

Normalerweise dienen Linsen und Spiegel dazu, Licht zu fokussieren. Doch für kleine, leichte Bauelemente braucht es einen anderen Ansatz.
Metamaterial
Nichts ist schneller als Licht, aber auch Licht lässt sich bremsen – in Materie. Denn je nach Material, das es passieren muss, variiert seine Ausbreitungsgeschwindigkeit ein wenig. Als Kenngröße dieser Änderung dient Physikern die Brechzahl, das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu der im jeweiligen Medium. Die Brechzahl von Vakuum ist dementsprechend eins, und je größer die Zahl, desto langsamer ist das Licht im betrachteten Material.

Trifft nun Licht auf die Grenze zwischen zwei Materialien, dann wird es zum Lot hin gebrochen, wenn das zweite Medium optisch dichter ist als das erste – also eine größere Brechzahl besitzt. Diesen Effekt macht man sich bei jeder Linse zu Nutze. Doch leider lässt sich so eine Linse nicht beliebig in Form und Größe verändern, was insbesondere für bestimmte elektronische Anwendungen von Nachteil ist.

Zumindest für Mikrowellen gibt es eine Lösung des Problems: die so genannten Metamaterialien – Verbundmaterialien aus Metall und einem anderen Stoff, die ungewöhnliche elektromagnetische Eigenschaften aufweisen. So schufen Forscher vor einigen Jahren bereits ein solches Metamaterial mit einem negativen Brechungsindex, welches das Licht also in die "falsche" Richtung bricht. Natürliche Stoffe würden sich so niemals verhalten, doch durch maßgeschneiderte Materialien, die eine trickreiche Strukturierung mit Abmessungen kleiner als die Wellenlänge der jeweiligen Strahlung aufweisen, lässt sich dieser Effekt erzeugen.

Eine negative Brechzahl hatten nun Stefan Enoch und seine Kollegen vom Institut Fresnel in Marseille nicht im Sinn, sie wollten vielmehr mit einem positiven aber dennoch sehr kleinen Brechungsindex experimentieren. Dazu stanzten die Wissenschaftler aus Kupferblechen ein regelmäßiges Gitter aus fünf Millimeter weiten quadratischen Löchern heraus und betteten diese Bleche mit etwas Abstand übereinander in Kunststoffschaum. Zwischen zwei dieser Kupfergitter platzierten die Physiker außerdem eine Mikrowellen-Antenne. Anschließend maßen sie in unterschiedlicher Entfernung zu dem Kupferblechstapel das Spektrum der Mikrowellen.

Wie sich zeigte, war die Emission auf einen Kegel von etwa zehn Grad Öffnungswinkel begrenzt. Offenbar war es den Physikern tatsächlich gelungen, ein Material mit einer Brechzahl kleiner als eins zu erzeugen. Denn wenn eine Quelle im Inneren eines solchen Materials elektromagnetische Strahlung in alle Richtungen aussendet, dann "sieht" die Strahlung beim Übergang zu Luft einen großen Sprung im Brechungsindex – sie wird also zum Lot hin gebrochen. In der Folge wird sie zu einem schmalen Strahl senkrecht zur Oberfläche des Metamaterials fokussiert. "Selbst Wellen, die streifend auf die Grenzfläche treffen, werden in Richtung des Lots gebrochen", erklärt Enoch.

Doch wozu lässt sich die Technik verwenden? Im Prinzip könnte man auf diese Weise Antennen bauen, die gerichtet ihre Leistung abstrahlen. Die Abmessungen einer solchen Antenne dürften sogar deutlich kleiner ausfallen als die Wellenlängen der emittierten Strahlung – das ist mit derzeitigen Methoden bislang nicht möglich. Auch David Smith, dem es vor einigen Jahren gelang, jene Metamaterialien mit negativer Brechzahl herzustellen, zeigt sich begeistert: "Viele Forscher wollen Geräte mit Metamaterialien verbessern, diese Arbeit ist mal ein überzeugendes Beispiel dieses Bestrebens."

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