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Optik : Schärfer als der Physiklehrer erlaubt

Jedes Kind lernt in der Schule: Lupen und Mikroskope vergrößern Dinge, aber nur bis zu einer bestimmten Grenze. Was kleiner als die halbe Wellenlänge des Lichts ist, geht den Linsen verloren. Was aber nicht jeder Lehrer weiß: Für Materialien mit negativem Brechungsindex gibt es keine Auflösungsgrenze.
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Eigentlich war der Gedanke zur Revolution schon lange da: Um die Gesetze der Optik auf den Kopf zu stellen, sollte nichts weiter nötig sein als ein Stoff mit negativem Brechungsindex. So die Theorie aus dem Jahre 1968. Dumm war nur, dass alle bekannten Substanzen mit positiven Brechungsindizes ausgestattet waren – experimentell war da folglich nicht viel zu machen, und die Revolution musste warten.

Zumindest bis zur Jahrtausendwende. Denn auf der Schwelle in die Zukunft breitete sich Unruhe aus bei Physikern und Ingenieuren. Wenn die Natur uns nicht solche Materialien gibt, wie wir für unsere Technik brauchen, dann machen wir sie eben selbst, begehrten Wissenschaftler in ihren Laboratorien auf. Und siehe da: Im Jahr 2001 präsentierten sie die erste künstliche Substanz mit einem negativen Brechungsindex – zumindest für Mikrowellen. Geht doch! Und nun?

Nun hieß es ausprobieren, was sich mit dem neuen Spielzeug alles anfangen lässt. Superlinsen zum Beispiel, die beliebig feine Details eines Objekts erfassen können. Dann wäre endlich Schluss mit der Beschränkung herkömmlicher Linsen, denen Strukturen unterhalb der halben Wellenlänge des benutzten Lichts verloren gehen. Mit negativ brechenden Scheibchen sollte das anders sein.

Denn anstatt sich nur auf jene kräftigen Strahlen zu konzentrieren, die von dem Objekt ausgehen, würden solche Superlinsen auch flüchtige Lichtwellen – die es nur wenige Nanometer (Milliardstel Meter) vom Objekt weg schaffen, bevor sie verschwinden – auffangen, in ihrem Inneren verstärken und sie frisch gestärkt wieder abgeben. Sehr zum Wohle einer detailgenauen Abbildung, denn ausgerechnet diese flüchtigen Wellen tragen die Informationen von den ganz winzigen Strukturen. So die Theorie aus dem beginnenden 21.nbsp;Jahrhundert.

Prinzip der neuen Linse | Das Prinzip der Silber-Superlinse, die eine Auflösung jenseits der klassischen Grenze der halben Wellenläge erreicht: Die rote Linie verdeutlicht, wie flüchtige Lichtstrahlen verstärkt werden, während sie die Linse passieren.
Zum Glück dauerte es diesmal keine weiteren dreißig Jahre, bis die Praxis aufgeschlossen hatte. Am Nanoscale Science and Engineering Center der Universität von Kalifornien in Berkeley wiesen Nicholas Fang und seine Kollegen nach, dass die Berechnungen zu Superlinsen tatsächlich in die Realität des Labors umgesetzt werden können.

Sie nutzten dafür den Umstand, dass die Welt im Nanomaßstab mitunter anderen Regeln folgt, als wir es gewohnt sind. Im makroskopischen Alltag müsste ein Material nämlich sowohl für seine elektrische wie auch für die magnetische Durchlässigkeit negative Werte vorweisen können, um einen Brechungsindex unter Null zu erreichen. Begibt man sich jedoch in Dimensionen weit unterhalb der Wellenlänge des Lichts, entkoppeln sich elektrische und magnetische Effekte, und es reicht, wenn ein Wert negativ ist. Das vereinfachte die Suche nach dem geeigneten Material, denn Silber und einige andere Metalle erfüllen diese Bedingung für optische Wellenlängen von Natur aus.

Nanodrähte | An einer Anordnung von Nanodrähten mit 60 Nanometern Dicke und Zwischenräumen von 60 Nanometer Breite lässt sich das Auflösungsvermögen der neuen Linse bestens präsentieren: Links die Aufnahme das Ergebnis mit der Silber-Superlinse, rechts das Ergebnis ohne – die einzelnen Drähte lassen sich nicht mehr differenzieren. Der weiße Balken entspricht einer Länge von einem Mikrometer.
Der Stoff für die Linse war somit gefunden, sie brauchte danach nur noch ihre Form. Im Gegensatz zu den bekannten Lupen sind Linsen mit negativem Brechungsindex nicht gewölbt, sondern sie bleiben planar. Auseinanderlaufende Lichtstrahlen werden an ihrer ersten Seite umgelenkt, sodass sie sich innerhalb des Materials kreuzen. Treten sie durch die zweite Seite aus, kommt es zu einer zweiten Brechung, die sie in geringer Entfernung von der Linse zu einem Abbild des Objekts zusammenführt.

Hinter solchen Linsen entsteht folglich stets ein Bild in Originalgröße. Wenig verlockend also für Mikroskopbauer, aber weil die Superlinsen unterwegs die flüchtigen Wellen verstärken, ist das Abbild annähernd so fein wie das Objekt. Vorausgesetzt, die Linse hat die richtige Stärke. Ist sie zu dick, drängen sich Störeffekte in den Vordergrund. Für die Versuche von Fang und seinem Team stellten sich 35 Nanometer als ideal heraus, mit einer Oberfläche von weniger als einem Nanometer Rauigkeit.

Fehlte noch das Objekt und eine Art Leinwand für sein Abbild. Da die Belichtung mit UV-Licht von 365 Nanometern Wellenlänge erfolgen sollte, musste das Objekt extrem winzig sein. Die Forscher stellten eine Maske aus Chrom her, in welche Schlitze von 60 Nanometer Breite eingelassen waren, die das Wort "NANO" bildeten.

Die Probe aufs Exempel | Die Probe aufs Exempel machten die Forscher mit dem Schriftzug "Nano", den sie in Form von hier durchschnittlich 60 Nanometer breiten Schlitzen in eine Maske aus Chrom einprägten. Mit UV-Licht beschienen, ist das Ergebnis durch die neue Linse deutlich detaillierter zu erkennen als ohne die Linse – obwohl im unteren Bild der Schriftzug eine Breite von 321 Nanometern hat. Der weiße Balken entspricht einer Länge von zwei Mikrometern.
Von unten mit UV beschienen, ergab dies eine passende Struktur mit feinen Details, die von der Superlinse aufgefangen und an eine Schicht Fotolack weitergegeben wurden. Ein Rasterkraftmikroskop tastete den Lack nach dem Entwickeln ab. Die Ergebnisse bestätigten die Vorhersagen zu den negativ brechenden Superlinsen: Bis in die kleinsten Einzelheiten waren die Buchstaben zu erkennen. Viel besser als bei einer Kontrollmessung ohne Superlinsen.

Doch wozu sind Superlinsen gut, wenn sie nicht vergrößern? Zum Kopieren. Vorlagen für feinste elektronische Schaltungen beispielsweise sind nur mit großem Aufwand zu erstellen. Eine verlustfreie Kopie mit einer Auflösung von wenigen Nanometern wäre dabei von großem Vorteil. Und hier könnte es tatsächlich mit negativ brechenden Materialien zu einer kleinen Revolution kommen. Nicht nur theoretisch, sondern nun auch ganz praktisch.

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