Von Superlinsen und Tarnkappen

"Im Prinzip könnte man Dinge unsichtbar machen, wie der berühmte Tarnmantel von Harry Potter. Metamaterialien könnten das Licht so um ein Objekt herum lenken, dass man nur das sieht, was hinter dem Objekt steckt. Damit würde dieses Objekt tatsächlich unsichtbar. Mit gewöhnlichen Materialien wäre das völlig unmöglich!"

Der Tarnmantel von Harry Potter – Fachleute wie Vladimir Shalaev zaubern ihn gern aus dem Hut, wenn es um mögliche Anwendungen der Metamaterialien geht. Und tatsächlich: Die Physik hinter der neuen Materialklasse scheint geradezu magisch. Erfunden wurden sie vor etwa zehn Jahren. Damals hatten kalifornische Physiker ein Gebilde konstruiert, bestehend aus Dutzenden millimetergroßen, aufgeschlitzten Kupferringen, angeordnet zu einer Art Schachbrettmuster. Auf Mikrowellen hatte dieses Gebilde eine höchst eigenartige Wirkung: Es lenkte sie in eine Richtung ab, die physikalisch völlig unmöglich schien. Shalaev, Professor an der Purdue Universität in den USA, spricht von einem negativen Brechungsindex.

"Der Brechungsindex beschreibt, wie stark Licht abgelenkt wird, wenn es von einem Material in ein anderes tritt, etwa von Luft in Wasser. Sämtliche Stoffe in der Natur besitzen einen positiven Brechungsindex. Metamaterialien dagegen haben einen negativen Index, sie brechen das Licht in eine andere Richtung. Hätte zum Beispiel Wasser einen negativen Brechungsindex, würden Gegenstände, die im Wasser liegen, so erscheinen, als würden sie über der Wasseroberfläche schweben!"

Klingt eigentlich nur nach einer exotischen Fußnote der Physik. Den Forschern aber schwante rasch das Potenzial der neuen Stoffklasse: Würde man Metamaterialien gezielt weiterentwickeln können, ließen sich elektromagnetische Wellen ungleich präziser lenken und kontrollieren als heute. Ein regelrechter Boom setzte ein. Und nun haben Shalaev und seine Fachkollegen so einige Erfolge vorzuweisen.

"Eine der großen Herausforderungen lautete: Können wir Metamaterialen nicht nur für Mikrowellen realisieren, sondern auch für Infrarotstrahlung und sichtbares Licht? Dafür brauchte man deutlich kleinere Schachbrett-Strukturen, in der Größe von Nanometern statt von Millimetern wie bei den Mikrowellen. Genau das ist uns in den letzten Jahren gelungen: Wir haben Techniken entwickelt, etwa mit ultrafeinen Elektronenstrahlen, mit denen sich die nötigen Nanostrukturen präzise genug herstellen lassen. Und damit lässt sich auch sichtbares Licht manipulieren."

Mit einem dieser neuen Nanomaterialien konnten Physiker letztes Jahr eine Infrarot-Tarnkappe im Miniformat realisieren. Doch die Experten haben noch weitere Probleme zu knacken: So zeigen die bisherigen Metamaterialien den Drang, einen Großteil des Lichts zu verschlucken – was sie für praktische Anwendungen schlicht unbrauchbar macht. Doch Vladimir Shalaev bastelt schon an einer Gegenstrategie.

"Um diese Verluste zu kompensieren, integrieren wir optisch aktive Stoffe in die Metamaterialien. Diese optisch aktiven Stoffe können Licht verstärken und dadurch den Verlusten entgegenwirken. Im Labor ist es sogar gelungen, die Verluste komplett auszugleichen. Das Licht tritt völlig verlustfrei durch diese Materialien."

Der Weg scheint also nicht mehr weit bis zu den ersten Anwendungen. Es könnten Sensoren sein für hochempfindliche Kernspintomografen in der Medizin, meint Shalaev. Oder Superlinsen, mit denen man in Ecken und Winkel blicken kann, die für heutige Linsen unerreichbar sind. Oder extrem kleine und kompakte Antennen für das Handy der Zukunft. Und:

"Irgendwann könnte man mit Metamaterialien sogar Licht auf einer Fläche von wenigen Nanometern gezielt kontrollieren. Damit wäre eine optische Datenverarbeitung denkbar, die um Größenordnungen schneller wäre als die derzeitige Elektronik. Und ich bin mir sicher: Es wird noch viele weitere Anwendungen für die Metamaterialien geben."