Eine kleine dünne Glasscheibe hält Stefan Linden in der Hand. Darauf zu sehen ist nichts. Das, was die Glasscheibe so besonders macht, sieht man nur unter dem Elektronenmikroskop: Winzige hufeisenförmige Strukturen aus purem Gold, in einem Gitterraster angeordnet: Ein goldenes Hufeisen neben dem anderen, insgesamt 3000 Stück, jedes Hufeisen kleiner als ein Tausendstel Millimeter - für das menschliche Auge unsichtbar.
Diese Goldhufeisen haben eine Kantenlänge von ungefähr 320 Nanometer, und die sind jetzt auf einem rechteckigen Gitter angeordnet. Und wenn man sich vorstellt, man hätte jetzt eine Fläche von einem Quadratmillimeter, würden auf dieser Fläche ungefähr drei Millionen Hufeisen angeordnet sein.
Wenn nun Licht durch die Glasscheibe fällt, dann werden die goldenen Hufeisen zu winzigen elektrischen Schwingkreisen, wobei die beiden Enden jedes Hufeisens wie ein Kondensator wirken. Denn: Das Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die durch das Glas hindurchgehen. Diese Wellen erzeugen ständig wechselnde elektrische und magnetische Felder, und diese Felder wiederum ziehen die Elektronen mal ans eine Ende des Goldhufeisens, mal ans andere, so dass ein hochfrequenter Wechselstrom entsteht. Der Strom schwingt sozusagen extrem schnell hin und her und erzeugt dadurch seinerseits elektromagnetische Felder, die das durchstrahlende Licht beeinflussen. In der Theorie wurde dieser Effekt schon seit Jahren vorher gesagt, getestet wurde er jedoch nur für die unsichtbaren, schwach energetischen Mikrowellen. Stefan Klein dagegen konnte den Effekt auch bei Infrarotwellen erzeugen und ist somit nicht mehr weit vom Spektrum des sichtbaren Lichts entfernt:
Die nächsten Schritte werden sein, diese Strukturen noch kleiner zu machen und zu sehen, ob man auch in den sichtbaren Spektralbereich kommt. Dazu müssten diese Strukturen noch mal um den Faktor zwei bis drei schrumpfen und man müsste noch ein paar andere Tricks anwenden, über die ich aber noch nichts sagen will.
Wie die goldenen Nano-Hufeisen das Licht beeinflussen, hängt somit von ihrer Größe ab, von ihrer Dichte, und von der Größe des Spalts zwischen dem einen Hufeisenende und dem anderen. Die Eigenschaft, um die es Stefan Klein geht, ist der Brechungsindex. Der Brechungsindex ist die Größe, die bestimmt, in welchen Winkel ein Lichtstrahl auf seinem Weg von der Luft ins Glas gebrochen wird. Wenn Licht schräg in Glas eindringt, macht es einen leichten Knick. In der Natur ist der Brechungsindex eines Materials immer positiv und größer als eins. Mit Hilfe von Nanostrukturen, wie Stefan Klein sie hergestellt hat, ließen sich theoretisch auch Materialien mit negativem Brechungsindex erzeugen. Hier würde das einfallende Licht so stark geknickt, als würde es von einer gekrümmten Linse gebrochen. Mit solchen Materialien ließen sich so genannte perfekte Linsen herstellen.
Perfekte Linsen sind jetzt nicht wie eine gewöhnliche Linse gewölbt, sondern sie sind flach wie eine Fensterscheibe, und sie haben aber trotzdem eine abbildende Wirkung, und man kann sogar zeigen, dass die Auflösung, die sich mit einer solchen Linse erreichen lässt, besser sein sollte als mit einer gewöhnlichen Linse. Man kann damit dann kleinere Strukturen sehen.
Das würde aber eben immer nur bei den Wellenlängen funktionieren, für die das Material - sprich, die Glasfläche mit den winzigen Hufeisen - hergestellt wurde. Insofern scheiden solche perfekten Linsen als Brillenersatz aus. Nicht nur, weil Brillengläser das gesamte Lichtspektrum hindurch lassen müssen, sondern auch weil die Herstellung dieser Nanostrukturen viel zu aufwendig ist. Stefan Linden sieht die Zukunft solcher perfekten Linsen vor allem bei der Herstellung von Computerchips. Denn die winzigen Schaltkreise der Chips werden ja längst mit Hilfe licht-technischer, lithographischer Verfahren hergestellt. Perfekte, hochauflösende Linsen könnten hier weitere Fortschritte bringen.
Zum Beispiel in der Halbleiterindustrie, bei der man sehr kleine Strukturen schreiben muss. Man könnte kleinere Strukturen schreiben, ich denke, man könnte dieselbe Strukturgröße mit weniger Aufwand herstellen.
Diese Goldhufeisen haben eine Kantenlänge von ungefähr 320 Nanometer, und die sind jetzt auf einem rechteckigen Gitter angeordnet. Und wenn man sich vorstellt, man hätte jetzt eine Fläche von einem Quadratmillimeter, würden auf dieser Fläche ungefähr drei Millionen Hufeisen angeordnet sein.
Wenn nun Licht durch die Glasscheibe fällt, dann werden die goldenen Hufeisen zu winzigen elektrischen Schwingkreisen, wobei die beiden Enden jedes Hufeisens wie ein Kondensator wirken. Denn: Das Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die durch das Glas hindurchgehen. Diese Wellen erzeugen ständig wechselnde elektrische und magnetische Felder, und diese Felder wiederum ziehen die Elektronen mal ans eine Ende des Goldhufeisens, mal ans andere, so dass ein hochfrequenter Wechselstrom entsteht. Der Strom schwingt sozusagen extrem schnell hin und her und erzeugt dadurch seinerseits elektromagnetische Felder, die das durchstrahlende Licht beeinflussen. In der Theorie wurde dieser Effekt schon seit Jahren vorher gesagt, getestet wurde er jedoch nur für die unsichtbaren, schwach energetischen Mikrowellen. Stefan Klein dagegen konnte den Effekt auch bei Infrarotwellen erzeugen und ist somit nicht mehr weit vom Spektrum des sichtbaren Lichts entfernt:
Die nächsten Schritte werden sein, diese Strukturen noch kleiner zu machen und zu sehen, ob man auch in den sichtbaren Spektralbereich kommt. Dazu müssten diese Strukturen noch mal um den Faktor zwei bis drei schrumpfen und man müsste noch ein paar andere Tricks anwenden, über die ich aber noch nichts sagen will.
Wie die goldenen Nano-Hufeisen das Licht beeinflussen, hängt somit von ihrer Größe ab, von ihrer Dichte, und von der Größe des Spalts zwischen dem einen Hufeisenende und dem anderen. Die Eigenschaft, um die es Stefan Klein geht, ist der Brechungsindex. Der Brechungsindex ist die Größe, die bestimmt, in welchen Winkel ein Lichtstrahl auf seinem Weg von der Luft ins Glas gebrochen wird. Wenn Licht schräg in Glas eindringt, macht es einen leichten Knick. In der Natur ist der Brechungsindex eines Materials immer positiv und größer als eins. Mit Hilfe von Nanostrukturen, wie Stefan Klein sie hergestellt hat, ließen sich theoretisch auch Materialien mit negativem Brechungsindex erzeugen. Hier würde das einfallende Licht so stark geknickt, als würde es von einer gekrümmten Linse gebrochen. Mit solchen Materialien ließen sich so genannte perfekte Linsen herstellen.
Perfekte Linsen sind jetzt nicht wie eine gewöhnliche Linse gewölbt, sondern sie sind flach wie eine Fensterscheibe, und sie haben aber trotzdem eine abbildende Wirkung, und man kann sogar zeigen, dass die Auflösung, die sich mit einer solchen Linse erreichen lässt, besser sein sollte als mit einer gewöhnlichen Linse. Man kann damit dann kleinere Strukturen sehen.
Das würde aber eben immer nur bei den Wellenlängen funktionieren, für die das Material - sprich, die Glasfläche mit den winzigen Hufeisen - hergestellt wurde. Insofern scheiden solche perfekten Linsen als Brillenersatz aus. Nicht nur, weil Brillengläser das gesamte Lichtspektrum hindurch lassen müssen, sondern auch weil die Herstellung dieser Nanostrukturen viel zu aufwendig ist. Stefan Linden sieht die Zukunft solcher perfekten Linsen vor allem bei der Herstellung von Computerchips. Denn die winzigen Schaltkreise der Chips werden ja längst mit Hilfe licht-technischer, lithographischer Verfahren hergestellt. Perfekte, hochauflösende Linsen könnten hier weitere Fortschritte bringen.
Zum Beispiel in der Halbleiterindustrie, bei der man sehr kleine Strukturen schreiben muss. Man könnte kleinere Strukturen schreiben, ich denke, man könnte dieselbe Strukturgröße mit weniger Aufwand herstellen.