Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik der Universität Karlsruhe fällte vor wenigen Jahren eine wichtige Entscheidung. Der Physiker, der am Forschungszentrum und an der Universität Karlsruhe arbeitet, hatte Vorträge über ein neues Forschungsgebiet gehört. Er hatte die entsprechenden Fachpublikationen studiert und sie mit seinen Kollegen ausführlich diskutiert. Quasi über Nacht entschloss er sich, diesem Trend zu folgen.
"Wir haben in Karlsruhe ein DFG-Forschungszentrum und sind da sehr flexibel. Ich habe einen Teil meiner Arbeitsgruppe umgesteuert, von heute auf morgen, damit wir, als das los ging, mitspielen konnten international – und das hat auch sehr gut geklappt."
Der Forschungstrend, dem Wegener folgte, sind die so genannten Metamaterialien, mit denen sich Lichtstrahlen in völlig neuer Weise kontrollieren lassen. Metamaterialien bedeuten inzwischen eine Revolution in dem alten Fachgebiet der Optik. Mit ihnen wird es möglich, die magnetischen Eigenschaften von sichtbarem Licht zu beeinflussen. Licht besteht aus einer elektromagnetischen Welle, also aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern. Wenn Licht zum Beispiel durch ein Stück Glas fällt, so beeinflusst dieses Material die elektrischen Eigenschaften des Lichtes – es wird gebrochen oder gebündelt. Bei den magnetischen Eigenschaften einer Lichtwelle, liege die Sache anders, sie ließen sich nicht verändern - glaubten die Physiker noch bis vor kurzem.
"Ja, das ist ganz verrückt. Genau so habe ich die Optik auch kennen gelernt. Das liest man in jedem Lehrbuch, dass man die magnetische Komponente des Lichtes eh nicht beeinflussen kann."
Tatsächlich aber ist das durchaus möglich - und die Physiker hätten eigentlich schon viel früher auf diese Idee kommen können:
"Das ist in Retrospektive fast peinlich einfach. Man nimmt einen kleinen Elektromagneten. Genau das, was jeder Schüler gemacht hätte. Wenn sie den fragen: Wie kann ich ein magnetisches Feld erzeugen? Dann sagt der: Da nimmt man einen Elektromagneten."
Die Elektromagneten, die Martin Wegener und seine Kollegen bauen, haben mit herkömmlichen Magneten wenig gemein. Sie bestehen aus dünnen Schichten mit mikroskopischen Metallleiterbahnen. Sie sind deutlich kleiner als ein Mikrometer und sie sind in winzigen Tapetenmustern aus Ringen, Hufeisen und kleinen L-Buchstaben angeordnet. Gestaltet man diese Nano-Tapeten entsprechend den theoretischen Rechnungen der Physiker, so kann man mit ihnen das Magnetfeld einer Lichtwelle verändern. Auf dieser Basis werden eine Vielzahl von neuen Anwendungen möglich: Linsen, die nicht mehr krumm sondern flach sind und die Licht in ungeahnter Qualität bündeln. Man kann aber auch Farbwandler bauen, die rotes Laserlicht in grünes verwandeln, durch so genannte nichtlineare Effekte. Selbst an Tarnkappen wird bereits geforscht: Mit Metamaterialien lässt sich das Licht um ein Objekt herumlenken, so dass der Eindruck entsteht als wäre dieses gar nicht da. Erste Experimente dazu gibt es auch schon, bislang allerdings nur im Mikrowellenbereich. Von einer praktischen Anwendung sind diese Versteckversuche noch ein gutes Stück entfernt. Wegener selbst entwickelt derzeit eine optische Diode - ein Material also, das Licht nur in einer Richtung durchlässt:
"Da gibt es eine Technik für: Das ist der Faraday-Effekt: Da nimmt man einen statischen Magneten, das ist ein paar Kubikzentimeter großes Teil, und damit funktioniert das. Aber es wäre doch klasse, wenn man das alles nicht bräuchte – den statischen Magneten – und könnte das dann in ein paar Nanometer oder Mikrometer dicken Schichten, die man dann Quadratzentimeter oder Quadratmeter groß aufbringt, machen. Davon sind wir getrieben und das beginnt jetzt zu funktionieren."
Mit einer optischen Diode - also einer Einbahnstraße für Licht - ließe sich die Telekommunikation in Glasfasernetzen deutlich verbessern. Insbesondere ließe sich vermeiden, dass Lichtsignale reflektiert werden, in die falsche Richtung laufen und dabei für Störungen sorgen. Insgesamt erwartet Martin Wegener, dass seine maßgeschneiderten Nanotapetenmuster in Zukunft in sehr vielen Bereichen zum Einsatz kommen werden:
"Sie suchen sich irgendeine optische Eigenschaft aus, die Sie optimieren möchten. Und wir denken darüber nach, ob man das jetzt nicht mit der Kontrolle der magnetischen Komponente der Lichtwelle besser kann als vorher. Und sehr häufig ist die Antwort: Ja, man kann."
"Wir haben in Karlsruhe ein DFG-Forschungszentrum und sind da sehr flexibel. Ich habe einen Teil meiner Arbeitsgruppe umgesteuert, von heute auf morgen, damit wir, als das los ging, mitspielen konnten international – und das hat auch sehr gut geklappt."
Der Forschungstrend, dem Wegener folgte, sind die so genannten Metamaterialien, mit denen sich Lichtstrahlen in völlig neuer Weise kontrollieren lassen. Metamaterialien bedeuten inzwischen eine Revolution in dem alten Fachgebiet der Optik. Mit ihnen wird es möglich, die magnetischen Eigenschaften von sichtbarem Licht zu beeinflussen. Licht besteht aus einer elektromagnetischen Welle, also aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern. Wenn Licht zum Beispiel durch ein Stück Glas fällt, so beeinflusst dieses Material die elektrischen Eigenschaften des Lichtes – es wird gebrochen oder gebündelt. Bei den magnetischen Eigenschaften einer Lichtwelle, liege die Sache anders, sie ließen sich nicht verändern - glaubten die Physiker noch bis vor kurzem.
"Ja, das ist ganz verrückt. Genau so habe ich die Optik auch kennen gelernt. Das liest man in jedem Lehrbuch, dass man die magnetische Komponente des Lichtes eh nicht beeinflussen kann."
Tatsächlich aber ist das durchaus möglich - und die Physiker hätten eigentlich schon viel früher auf diese Idee kommen können:
"Das ist in Retrospektive fast peinlich einfach. Man nimmt einen kleinen Elektromagneten. Genau das, was jeder Schüler gemacht hätte. Wenn sie den fragen: Wie kann ich ein magnetisches Feld erzeugen? Dann sagt der: Da nimmt man einen Elektromagneten."
Die Elektromagneten, die Martin Wegener und seine Kollegen bauen, haben mit herkömmlichen Magneten wenig gemein. Sie bestehen aus dünnen Schichten mit mikroskopischen Metallleiterbahnen. Sie sind deutlich kleiner als ein Mikrometer und sie sind in winzigen Tapetenmustern aus Ringen, Hufeisen und kleinen L-Buchstaben angeordnet. Gestaltet man diese Nano-Tapeten entsprechend den theoretischen Rechnungen der Physiker, so kann man mit ihnen das Magnetfeld einer Lichtwelle verändern. Auf dieser Basis werden eine Vielzahl von neuen Anwendungen möglich: Linsen, die nicht mehr krumm sondern flach sind und die Licht in ungeahnter Qualität bündeln. Man kann aber auch Farbwandler bauen, die rotes Laserlicht in grünes verwandeln, durch so genannte nichtlineare Effekte. Selbst an Tarnkappen wird bereits geforscht: Mit Metamaterialien lässt sich das Licht um ein Objekt herumlenken, so dass der Eindruck entsteht als wäre dieses gar nicht da. Erste Experimente dazu gibt es auch schon, bislang allerdings nur im Mikrowellenbereich. Von einer praktischen Anwendung sind diese Versteckversuche noch ein gutes Stück entfernt. Wegener selbst entwickelt derzeit eine optische Diode - ein Material also, das Licht nur in einer Richtung durchlässt:
"Da gibt es eine Technik für: Das ist der Faraday-Effekt: Da nimmt man einen statischen Magneten, das ist ein paar Kubikzentimeter großes Teil, und damit funktioniert das. Aber es wäre doch klasse, wenn man das alles nicht bräuchte – den statischen Magneten – und könnte das dann in ein paar Nanometer oder Mikrometer dicken Schichten, die man dann Quadratzentimeter oder Quadratmeter groß aufbringt, machen. Davon sind wir getrieben und das beginnt jetzt zu funktionieren."
Mit einer optischen Diode - also einer Einbahnstraße für Licht - ließe sich die Telekommunikation in Glasfasernetzen deutlich verbessern. Insbesondere ließe sich vermeiden, dass Lichtsignale reflektiert werden, in die falsche Richtung laufen und dabei für Störungen sorgen. Insgesamt erwartet Martin Wegener, dass seine maßgeschneiderten Nanotapetenmuster in Zukunft in sehr vielen Bereichen zum Einsatz kommen werden:
"Sie suchen sich irgendeine optische Eigenschaft aus, die Sie optimieren möchten. Und wir denken darüber nach, ob man das jetzt nicht mit der Kontrolle der magnetischen Komponente der Lichtwelle besser kann als vorher. Und sehr häufig ist die Antwort: Ja, man kann."