Auf den ersten Blick sehen sie unscheinbar aus: Metallisch schimmernde Stapel aus dünnen Glasplättchen, insgesamt nur ein paar Millimeter groß. Doch die Proben, die Physiker des Imperial College London jetzt präsentieren, haben es in sich. Unter dem Mikroskop erkennt man zwischen den Glasscheiben hunderte haarfeiner Metallplättchen. Sie sind aus Blei, exakt parallel ausgerichtet und in genau definiertem Abstand voneinander.
"Wir haben supraleitende Metallplättchen so angeordnet, dass sie einen Diamagneten imitieren - also ein Material, in das Magnetfelder nicht eindringen können, weil sie abgestoßen werden. In der Natur gibt es viele Substanzen, die diamagnetisch sind. Aber der Effekt ist in der Regel winzig. Bestimmt haben sie schon mal die Bilder von Fröschen gesehen, die in einem Magnetfeld schweben. Das liegt daran, dass Frösche zu einem großen Teil aus diamagnetischen Wassermolekülen bestehen. Fliegen können sie deshalb aber nur, weil sie sehr leicht sind – eben weil der Effekt so klein ist. Unser Metamaterial ist zehntausend Mal stärker diamagnetisch als alles, was in der Natur vorkommt."
Ben Wood arbeitet seit drei Jahren als Postdoc bei Professor Sir John Pendry, einem der führenden Experten für Metamaterialien. Das Ziel seiner Forschung: Ein neuartiges Material, bei dem sich genau einstellen lässt, wie stark es statische Magnetfelder abstößt. Da tiefgekühlte Metalle, die ihren elektrischen Widerstand verloren haben, Magnetfelder komplett aus ihrem Inneren verdrängen, waren sie der logische Ausgangspunkt.
"Vergangenes Jahr haben wir berechnet, wie so ein künstlicher Diamagnet auf Basis von Supraleitern aufgebaut sein müsste. Unsere ersten experimentellen Ergebnisse belegen jetzt: Das Material tut genau das, was es soll."
Allerdings muss Ben Wood seine Proben dazu mit flüssigem Helium kühlen, damit die Metallplättchen darin ihren elektrischen Widerstand verlieren.
"Trifft ein konstantes Magnetfeld auf eines dieser supraleitenden Plättchen, erzeugt es einen kleinen Kreisstrom längs seines Randes. Dadurch entsteht ein winziger Magnet, der dem äußeren Magnetfeld entgegenwirkt. Dieses kann sich deshalb nur noch zwischen den Metallplättchen halten. Es wird dort sozusagen eingeklemmt und umso stärker aus dem Material herausgedrängt, je dichter die Plättchen zusammen rücken."
Das Material verhält sich also tatsächlich wie ein kontrollierbarer Diamagnet. Mögliche Anwendungen, sagt Ben Wood, gebe es reichlich. Zum Beispiel neuartige Abschirmungen, die statische Magnetfelder aus bestimmten Bereichen aussperren. Heute werden dazu magnetische Materialien eingesetzt, die das abzuschirmende Feld merklich beeinflussen. Ein Effekt, der stören kann. Etwa wenn empfindliche Elektronik vor dem starken Permanentmagnetfeld eines Kernspintomographen geschützt werden soll, ohne die Homogenität diese Feldes – und damit die Messgenauigkeit - zu stören. Ein Hülle aus diamagnetischem Metamaterial dagegen, könnte denselben Effekt erzielen, ohne Spuren zu hinterlassen.
"Eines unserer Ziele sind magnetische Tarnkappen. Also Materialien, die ein bestimmtes Gebiet magnetisch abschirmen, ohne dass es von außen erkennbar ist, weil sie das Feld außerhalb des Tarnmantels nicht beeinflussen."
Bis zur ersten magnetischen Tarnkappe, die diesen Namen tatsächlich verdient, ist es aber noch ein weiter Weg. Die Arbeiten aus England sind nur ein erster Schritt. Bislang funktioniert das diamagnetische Metamaterial nur, wenn die Magnetfeldlinien genau senkrecht darauf treffen. Ein Einschränkung, die in der Praxis so gut wie nie erfüllt ist.
"Wir haben supraleitende Metallplättchen so angeordnet, dass sie einen Diamagneten imitieren - also ein Material, in das Magnetfelder nicht eindringen können, weil sie abgestoßen werden. In der Natur gibt es viele Substanzen, die diamagnetisch sind. Aber der Effekt ist in der Regel winzig. Bestimmt haben sie schon mal die Bilder von Fröschen gesehen, die in einem Magnetfeld schweben. Das liegt daran, dass Frösche zu einem großen Teil aus diamagnetischen Wassermolekülen bestehen. Fliegen können sie deshalb aber nur, weil sie sehr leicht sind – eben weil der Effekt so klein ist. Unser Metamaterial ist zehntausend Mal stärker diamagnetisch als alles, was in der Natur vorkommt."
Ben Wood arbeitet seit drei Jahren als Postdoc bei Professor Sir John Pendry, einem der führenden Experten für Metamaterialien. Das Ziel seiner Forschung: Ein neuartiges Material, bei dem sich genau einstellen lässt, wie stark es statische Magnetfelder abstößt. Da tiefgekühlte Metalle, die ihren elektrischen Widerstand verloren haben, Magnetfelder komplett aus ihrem Inneren verdrängen, waren sie der logische Ausgangspunkt.
"Vergangenes Jahr haben wir berechnet, wie so ein künstlicher Diamagnet auf Basis von Supraleitern aufgebaut sein müsste. Unsere ersten experimentellen Ergebnisse belegen jetzt: Das Material tut genau das, was es soll."
Allerdings muss Ben Wood seine Proben dazu mit flüssigem Helium kühlen, damit die Metallplättchen darin ihren elektrischen Widerstand verlieren.
"Trifft ein konstantes Magnetfeld auf eines dieser supraleitenden Plättchen, erzeugt es einen kleinen Kreisstrom längs seines Randes. Dadurch entsteht ein winziger Magnet, der dem äußeren Magnetfeld entgegenwirkt. Dieses kann sich deshalb nur noch zwischen den Metallplättchen halten. Es wird dort sozusagen eingeklemmt und umso stärker aus dem Material herausgedrängt, je dichter die Plättchen zusammen rücken."
Das Material verhält sich also tatsächlich wie ein kontrollierbarer Diamagnet. Mögliche Anwendungen, sagt Ben Wood, gebe es reichlich. Zum Beispiel neuartige Abschirmungen, die statische Magnetfelder aus bestimmten Bereichen aussperren. Heute werden dazu magnetische Materialien eingesetzt, die das abzuschirmende Feld merklich beeinflussen. Ein Effekt, der stören kann. Etwa wenn empfindliche Elektronik vor dem starken Permanentmagnetfeld eines Kernspintomographen geschützt werden soll, ohne die Homogenität diese Feldes – und damit die Messgenauigkeit - zu stören. Ein Hülle aus diamagnetischem Metamaterial dagegen, könnte denselben Effekt erzielen, ohne Spuren zu hinterlassen.
"Eines unserer Ziele sind magnetische Tarnkappen. Also Materialien, die ein bestimmtes Gebiet magnetisch abschirmen, ohne dass es von außen erkennbar ist, weil sie das Feld außerhalb des Tarnmantels nicht beeinflussen."
Bis zur ersten magnetischen Tarnkappe, die diesen Namen tatsächlich verdient, ist es aber noch ein weiter Weg. Die Arbeiten aus England sind nur ein erster Schritt. Bislang funktioniert das diamagnetische Metamaterial nur, wenn die Magnetfeldlinien genau senkrecht darauf treffen. Ein Einschränkung, die in der Praxis so gut wie nie erfüllt ist.