Falsche Brechung

Pasadena (USA) - Nach experimentellen Erfolgen mit Metamaterialien im Mikrowellenbereich sowie für rotes Licht, beobachteten amerikanische und französische Forscher die negative Lichtbrechung nun auch im blauen und grünen Spektralbereich. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Zeitschrift "Science".

"Mit diesen Resultaten können praktische Negativ-Index-Systeme im sichtbaren Spektralbereich entwickelt werden", berichten Henri Lezec und seine Kollegen vom California Institute of Technology in Pasadena. Da kein natürliches Material diese besondere Lichtbrechung bietet, greifen die Forscher zu nanostrukturierten Wellenleitern. Lezec erreichte den Schritt bis zum grünen Licht mit einer dreilagigen Struktur aus Gold und Siliziumnitrid. Durch die geschickte Anordnung der nanostrukturierten Schichten konnte einfallendes Licht mit Wellenlängen von 685 und 514 Nanometern beim Übergang ins Metamaterial über das Lot hinaus zu einem negativen Winkel hin gebrochen werden.

Die Ursache für die negative Lichtbrechung liegt nach Aussage der Wissenschaftler in den Dispersionseigenschaften an den Metall-Isolator-Grenzen des neuen Metamaterials. Bei Frequenzen zwischen den Resonanzfrequenzen für Oberflächenplasmonen und Festkörperplasmonen tritt der negative Brechungsindex auf. Die Phasenfronten der Lichtwelle wandern dann in die entgegengesetzte Richtung als der Energietransport. "Das bedeutet, dass die Phasengeschwindigkeit des Lichts negativ ist. In anderen Worten: Lichtwellen haben nun einen 'Rückwärtsgang'", erklären Costas Soukoulis von der Iowa State University und seine Kollegen Stefan Linden und Martin Wegener vom Forschungszentrum Karlsruhe. Ihnen gelang erst vor wenigen Monaten der erste Schritt von den Mikrowellen hin in den sichtbaren, roten Spektralbereich.

Im Unterschied zu den Caltech-Forschern bannten Soukoulis und Kollegen mit lithografischen Methoden regelmäßige Nanostrukturen mit einem Fischnetz-Design in in mehrere Lagen aus Silber und Magnesiumflourid. Das Ergebnis: Rotes Licht mit der Wellenlänge von 780 Nanometern wurde von diesem Metamaterial mit einem Brechungsindex von -0,6 quasi in die "falsche" Richtung abgelenkt.

Auch wenn mit diesen Werkstoffen prinzipiell Tarnkappen für rotes, grünes und blaues Licht möglich wären, haben die Forscher andere Anwendungen im Blick. Superflache Linsen aus diesem Material könnten das Auflösungsvermögen von optischen Mikroskopen deutlich erhöhen. "Mit einer solchen Linse lassen sich Details erkennen, die viel kleiner sind als die Lichtwellenlänge", sagt Soukoulis. Bildgebungsverfahren für Werkstoffe und biomedizinische Anwendungen könnten so enorm verbessert werden.

Nun gilt es, die optischen Eigenschaften dieses neuen Metamaterials weiter zu verbessern und geeignete Produktionsprozesse zu entwickeln. Nanostempel oder holografische Lithografie könnten hier hilfreich sein. Neben den Superlinsen halten die Forscher viele weitere Anwendungen für möglich. "Bei diesem Vorhaben setzen nur unsere Vorstellungskraft und Kreativität die Grenzen", sind Soukoulis und Kollegen überzeugt.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Negative Refraction at Visible Frequencies" H.J. Lezec et al., Sciencexpress,
  doi 10.1126/science.1139266
  

• California Institute of Technology in Pasadena:
  http://www.caltech.edu
  
• Thomas J. Watson Laboratory of Applied Physics:
  http://www.aph.caltech.edu/
  

• Centre National de la Recherche Scientifique, Paris:
  http://www.cnrs.fr/
  

• Forschung mit Metamaterial an der Universität Karlsruhe: http://www.aph.uni-karlsruhe.de/ag/wegener/index.de.html
  

Weiterführende Literatur:

• G. Dolling et al.: Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength. Optics Letters 32, 53 (2007).
  http://ol.osa.org/abstract.cfm?id=119886

• S. Zhang et al.: Near-infrared double negative metamaterials. Opt. Express 13, 4922 (2005).
  http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?id=84557

• M.W. Klein et al, Second-Harmonic Generation from Magnetic Metamaterials, Science, 313, S. 502
  

• Theoretische Grundlage: V. G. Veselago, Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968).