Karlsruher Tarnkappe verfeinert

aus der Forschung des Karlsruher Instituts für Technologie

Das Bild zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Tarnkappe (unten) und einer Referenzstruktur (oben). Die Referenz dient zum Vergleich der getarnten Beule mit einer ungetarnten Beule. Foto/Grafik: CFN/KIT.mehr lesen

Die Referenz und die Tarnkappe wurden aufgeschnitten, um ins Innere blicken zu können. Man sieht schön das lokal veränderte Mischverhältnis aus Polymer und Luft bei der Tarnkappe. Foto/Grafik: CFN/KIT.mehr lesen

Beide Strukturen werden von der Luftseite aus betrachtet, man schaut also „von oben“ auf die Delle. Da beide Beulen/Dellen nominell identisch sind, erkennt man auch bei beiden den typischen dunklen Doppelstreifen, sozusagen den „Fingerabdruck“ der... Foto/Grafik: CFN/KIT.mehr lesen

Wird die Struktur umgedreht, blickt man nun durch das Glas-Substrat und durch die Tarnkappe auf die Beule. Im Falle der Tarnkappe ist von der Beule nichts mehr zu sehen – der Spiegel erscheint flach. Foto/Grafik: CFN/KIT.mehr lesen

Mit dem Tarnumhang aus einem Harry-Potter-Film hat die „Teppich-Tarnkappe“ der KIT-Physiker nicht viel gemeinsam, sie kaschiert unter Rotlicht nur eine genau vorab berechnete, winzige Beule - und das, was sich vielleicht dahinter verbirgt. Dafür funktioniert sie aber nach den Gesetzen der Physik! Die KIT-Forscher um Prof. Dr. Martin Wegener vom Center for Functional Nanostructures haben es als weltweit Erste geschafft, eine solche dreidimensionale „Tarnkappe“ für rotes Licht zu erzeugen.

Bislang war der Effekt nur für Licht im Infrarotbereich mit deutlich größeren Wellenlängen zu erreichen. Die „Teppich-Tarnkappe“ der KIT-Physiker ist ungefähr einen zwanzigstel Millimeter groß und besteht aus einem so genannten Metamaterial, welches Licht mit einer Wellenlänge von 700 Nanometern und mehr ganz gezielt lenken kann. Dahinter steht jahrelange Arbeit an der Entwicklung neuartiger Strukturierungsverfahren und ein profundes Verständnis, wie Licht mit Strukturen in einem Material wechselwirkt:

Eine Delle verschwindet optisch

Der Kern der Tarnkappe besteht aus Kunststoff mit einer dünnen Goldschicht, die das Licht reflektiert. Wenn nun durch den Kunststoff Licht auf die Goldschicht fällt, wäre eine Delle in der Goldschicht normalerweise gut zu erkennen. Doch die Kunststoffschicht der Tarnkappe besitzt ungewöhnliche optische Eigenschaften, die Delle wirkt völlig flach. „Ich kann aus Glas oder Kunststoff eine Linse schleifen, die bestimmte optische Eigenschaften hat. Ich kann aber auch das Material nehmen und ganz bewusst an jeder Stelle im Volumen die Brechungseigenschaften verändern“, erklärt Tolga Ergin aus Wegeners Gruppe das Prinzip.

Strukturen mit dem Laserstift

Ergin berechnet, wie sich die Brechungsindizes verändern müssen, damit die Delle optisch verschwindet. Dies lässt sich durch so genannte Metastrukturen erreichen, die in den Kunststoff eingebracht werden müssen. Die KIT-Physiker haben dafür das Verfahren des Direkten Laserschreibens entwickelt, in dem ein Laserstrahl wie ein Stift in einen lichtempfindlichen Kunststoff (Fotolack) schreibt. Ein Computer-Programm steuert den Laserstrahl und schreibt die im Voraus berechneten dreidimensionalen Strukturen ein. Dort wo der Laserstrahl im Fotolack fokussiert, härtet der Kunststoff später aus. Unter dem Elektronenmikroskop sieht die eingeschriebene Struktur aus wie ein Stapel aus Holzscheiten, die mal dicker und mal dünner sind. „An Stellen mit dünnen Balken ist der Brechungsindex niedriger als an Stellen, wo die Kunststoffbalken dicker sind“, sagt Ergin.

Bereits 2010 gelang es den KIT-Physikern damit, einen dreidimensionalen Tarnkappeneffekt für Wellenlängen von 1500 bis 2600 Nanometern zu erzeugen. Dies ist Licht im infraroten Bereich, das zwar nicht sichtbar für das menschliche Auge ist, aber in der Telekommunikation genutzt wird. Licht im sichtbaren Bereich besitzt allerdings Wellenlängen zwischen 380 Nanometern (blau) und 780 Nanometern (rot).

Optischer Radierer verbessert die Auflösung

Nun hat Joachim Fischer, auch Mitglied der Gruppe Wegener, aus der optischen Mikroskopie einen Trick übernommen, mit dem er den Laserstrahl effektiv fast doppelt so scharf fokussieren kann. Mit diesem „optischen Radierer“ lassen sich nun Kunststoff-Balken im Abstand von 350 Nanometern einschreiben. Joachim Fischer und Tolga Ergin haben damit die erste 3D-Tarnkappe für unpolarisiertes sichtbares Licht im Bereich von 700 Nanometern und mehr realisiert. Dies entspricht der Farbe rot. Wenn es ihnen gelänge, das Verfahren noch weiter zu verfeinern, könnten sie im Prinzip sogar eine Tarnkappe produzieren, die im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts funktioniert.

Anwendungen in der Optik

Für beide Forscher ist die Teppich-Tarnkappe jedoch kein wirkliches Endziel, sondern vor allem ein Demonstrationsobjekt. Es zeigt auf aufsehenerregende Weise, dass die Transformationsoptik nicht nur eine mathematische Spielerei ist, sondern enorme Anwendungspotenziale besitzt. „Die Mathematik dahinter hat Ähnlichkeit mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, wir können damit berechnen, wie ein Metamaterial beschaffen sein muss, um als optisches Bauteil einen bestimmten Zweck zu erfüllen“, sagt Ergin. Zum Beispiel als perfekte Absorber für Solarzellen, als Lichtleiter und andere photonische Komponenten mit neuartigen Eigenschaften, die bislang genauso unmöglich scheinen wie eben die Tarnkappe.

Antonia Rötger