Hyperbolische Flächen aus Metamaterial

Metamaterialien mit negativem Brechungsindex bestehen aus symmetrischen Nano­strukturen aus Metallen und Dielektrika. In Grundlagenexperimenten konnten sie als Tarnkappen für einzelne Wellenlängen­bereich genutzt werden. Doch diese noch relativ neue Klasse optischer Werkstoffe bietet noch weitere Vorteile. Um in Zukunft schnellere Prozessoren zu entwickeln, die die Daten per Licht und nicht mehr mit Elektronen verarbeiten, präsentierten nun Wissen­schaftler von der Harvard University in Cambridge ein sehr dünnes Meta­material aus Silber, das sie hyper­bolische Metafläche nannten. Dieses Material zeigte einen von der Wellenlänge abhängigen negativen Brechungs­index für sichtbares Licht. Als vorteilhaft könnten sich auch die sehr geringen Strahlungs­verluste erweisen, über die optische Werkstoffe sonst einfallende Lichtwellen schwächen.

Die Arbeitsgruppe um Hongkun Park Metamaterialien deponierte für ihre hyperbolischen Metaflächen eine bis zu einen Mikrometer dicke und sehr ebenmäßige, einkristalliene Silberschicht auf einer Oberfläche aus Alumi­nium­oxid. Darauf struktierten die Forscher diese Schicht mit etablierten Verfahren wie der Elektronen­strahl-Litho­grafie und Plasma-Ätz­prozessen. So schufen sie eine nano­struktu­rierte Fläche, auf der sich zahlreiche, nur neunzig Nanometer breite Silberwälle parallel zueinander im Abstand von 150 Nanometer aufreihten.

Auf diese Struktur strahlten Park und Kollegen sichtbares Licht mit verschiedenen Farben. Oranges Licht mit einer Wellenlänge von 560 Nano­metern durchdrang die dünne Silber­schicht ohne jede Brechung. Rotes Licht mit längeren Wellen­längen wurde klassisch mit einem positiven Brechungs­index umgelenkt. Bei kurzwelligem Licht (540 und 490 nm) dagegen zeigte die Metafläche einen negativen Brechungs­index: Der Licht­strahl wurde vom Lot weg gebrochen, obwohl er sich aus einem dünneren Medium (Luft) in ein dichteres Medium (Silberschicht) ausbreitete.

Als weitere Eigenschaft schwächten die Metaflächen die Intensität des Lichtstrahls sehr viel weniger als beim Gang durch andere, räumlich struktu­rierte Meta­materialien. Nicht nur der dünne Aufbau, sondern auch die Anregung von Oberflächen­plasmonen machten die Forscher dafür verant­wortlich. Wegen der geringen Dicke könnten Meta­flächen leichter in photonische Chips integriert werden, die in Zukunft digitale Daten mit Licht rasant verarbeiten sollen.

Park und Kollegen sind davon überzeugt, dass sich ihre hyperbolische Metaflächen in vielen Varianten auch aus anderen Metallen als Silber fertigen lassen. Angepasst an die jeweils genutzte Licht­wellen­länge könnten damit optische Schalt­kreise mit extrem geringen Strahlungs­verlusten entwickelt werden. Auch das von der Wellen­länge abhängige Brechungs­verhalten – mal negativ, mal positiv – ließe sich für optische Schalt­prozesse nutzen. Ob die nano­struktu­rierten Metall­schichten sogar zu handli­cheren oder flexiblen Tarnkappen geeignet sein könnten, lässt sich bisher nicht absehen, jedoch mit weiteren Versuchen überprüfen.

Jan Oliver Löfken

OD