Neue Optik mit künstlichen Atomen

Bisher wusste allenfalls Zwerg Mime aus der Nibelungensage, wie man Tarnkappen schmiedet. Solche märchenhafte Gewebe müssten das Licht um das Objekt herumleiten und damit einen Lichtstrahl genau andersherum brechen wie normale Materialien. Und dafür müssten "Tarnkappenmaterialien" sowohl auf die magnetischen als auch auf die elektrischen Felder der eingestrahlten Lichtwellen kontrolliert reagieren. In der Natur kommen solche Materialien nicht vor, aber im Labor ist ein Anfang gelungen: Dr. Stefan Linden vom Institut für Nanotechnologie am Forschungszentrum Karlsruhe arbeitet an Metamaterialien mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften.

Dazu baut er eine Überstruktur aus künstlichen "Atomen" auf, die unter dem Elektronenmikroskop aussehen wie Hufeisen oder feine Netze. Begonnen hat Linden als Postdoc bei Prof. Dr. Martin Wegener von der Universität Karlsruhe. Dort wollte er ausprobieren, was der Theoretiker Costa Soukoulis von der Iowa State University vorgeschlagen hatte: Mit Überstrukturen aus winzigen elektromagnetischen Schwingkreisen das Licht so zu manipulieren, dass für eine bestimmte Wellenlänge die Brechung negativ wird. Mit Mikrowellen, deren Wellenlängen im Zentimeterbereich liegen, hatte das bereits funktioniert. Um diesen Effekt auch mit den deutlich kürzeren Wellenlängen von Licht zu erreichen, musste Linden jedoch Schwingkreis-Strukturen auf einem Trägersubstrat erzeugen, die sich alle paarhundert Nanometer wiederholen. "Ich hatte schon Erfahrung mit Elektronenstrahllithographie und es ging problemlos - im Nachhinein war ich erstaunt, dass es noch keiner vor uns gemacht hat", erinnert sich Linden. Noch immer arbeitet er eng mit Wegener zusammen, inzwischen aber als Leiter einer Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe mit drei Doktoranden und drei Diplomanden. Auf ein Glassubstrat wird zuerst ein Polymerfilm aufgebracht, in den die "künstlichen Atome" mit einem Elektronenstrahl eingeschrieben werden. Nach dem Entwickeln werden Schichten aus Silber und Magnesiumfluorid aufgetragen. Diese "künstlichen Atome" wirken auf Licht wie winzige elektromagnetische Schwingkreise. Das Licht regt sie an und sie senden zeitversetzt wieder eine elektromagnetische Welle aus. Dies kann zu einem sehr seltsamen Phänomen führen: Wird ein Lichtpuls durch die Probe geschickt, dann beobachten die Physiker, dass das Maximum des durchgehenden Pulses bereits hinter der Probe erscheint, bevor das Maximum des einlaufenden Pulses die Vorderseite erreicht hat. "Der Puls verformt sich in der Probe selbst, weil die verschiedenen Wellenlängen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Material laufen. Dabei hängt der durchgehende Puls immer noch kausal mit dem einlaufenden Puls zusammen", erklärt Linden. Der Effekt der negativen Brechung ist zurzeit am stärksten für eine Wellenlänge von 1500 Nanometern, also im nahen Infrarotbereich. Der momentane Rekord liegt im roten Ende des sichtbaren Spektrums bei 780 Nanometern. Um Licht mit noch kleineren Wellenlängen "falsch herum" zu brechen, müssten die Strukturen noch einmal deutlich verkleinert werden. Dazu kommt: Bisher wurden nur einzelne Schichten untersucht. Um nun zu "richtigen" Materialien zu kommen, müsste man mehrere Schichten hintereinander aufbringen. Dabei wären dann aber die Verluste extrem hoch. Denn nur etwa 70 Prozent des Lichts werden durch eine Schicht durchgelassen und bei hintereinander geschalteten Schichten multipliziert sich das rasch. "Eventuell lässt sich das durch optische Verstärker kompensieren, aber auch das muss noch entwickelt werden", meint Linden.

"Das ist zurzeit reine Grundlagenforschung", betont der Physiker, aber einige Anwendungen sieht er schon am Horizont: Als perfekte Linsen zum Beispiel. Denn während optische Linsen aus konventionellem Material nur Objekte auflösen können, die größer als eine Wellenlänge des Lichts sind, könnten Linsen aus Metamaterialien "perfekt" sein - ein Lichtmikroskop mit 10.000-facher Vergrößerung wäre damit grundsätzlich möglich. Und die Tarnkappen? Da muss Linden lächeln: "Prinzipiell wäre das denkbar", räumt er ein. Natürlich müsste man dafür weitere komplexe Probleme lösen. Dazu kommt: Ein Umhang, wie ihn Harry Potter zum heimlichen Stöbern in der Bibliothek übergestreift hatte, kann nicht produziert werden. Denn die optischen Eigenschaften sind in beiden Richtungen die gleichen: Der Nutzer wäre auch selbst optisch von der Außenwelt abgeschnitten, also quasi blind.