Komprimiert, dank Linse aus Metamaterial

Aus den symmetrisch aufgebauten Strukturen von Metamaterialien lassen sich nicht nur Tarnkappen für kleine Frequenzbereiche bauen. Auch für neuartige Linsensysteme sind diese Werkstoffe interessant. So entwickelten nun Wissenschaftler von der Duke University in Durham eine spezielle Wellenleiterblende, die Signale im Gigahertz-Spektrum schon bei der Aufzeichnung stark komprimierte ohne dass wichtige Informationen verloren gehen sollten. In ersten Laborversuchen erreichten die Forscher Kompressionsraten von 40 zu 1, wodurch sich sowohl die Aufnahmezeiten als auch das zu speichernde Datenvolumen stark verringerten.

Für ihre Experimente sendeten Hunt und Kollegen mit einer Antenne Millimeterwellen in einer etwa zimmergroßen Kammer aus. In diesem Raum setzten sie zwei zehn Zentimeter kleine Objekte, um deren Position zu bestimmen. Die gestreuten Wellen zeichneten sie darauf mit einem Detektor auf, vor dem sie eine Wellenleiterblende aus einem Metamaterial mit symmetrisch angeordneten Kondensatorstrukturen setzten. In Abhängigkeit von Phase und Amplitude der Signalwellen im Frequenzbereich zwischen 18,5 und 25 Gigahertz entstand bei der Transmission durch diese Blende ein Wellenmuster, das sich lediglich aus 101 Messwerten zusammensetzte. Ohne Blende wäre der entsprechende Datensatz mehr als 40 mal so groß gewesen.

Eine Auswertung der stark verringerten Datenmenge am Computer offenbarte, dass dennoch die Position der beiden Streuobjekte mit hoher Auflösung rekonstruiert werden konnte. Zudem konnte jede einzelne Aufnahme sehr schnell binnen einer zehntel Sekunde geschossen und gespeichert werden. Nach der Analyse ließen sich so ganze Sequenzen eines sich bewegenden Objekts verfolgen. Das ist besonders für Astronomen interessant, deren Milliwellen-Detektoren bisher nur die Aufnahme einzelner Schnappschüsse und keiner Videosquenzen erlaubten. Für eine Anwendung müsste jedoch die Größe der Metamaterialstrukturen genau an den gewünschten Frequenzbereich angepasst werden.

Diese physikalische Kompression von Bilddaten ließe sich prinzipiell auf andere Wellenlängenbereiche ausweiten. Im Fokus stehen bisher Mikrowellen und Terahertzstrahlung. Im sichtbaren Spektralbereich sind solche Kompressionlinsen zwar auch vorstellbar. Doch müssten dazu erst extrem fein strukturierte Metamaterialien geschaffen werden. Ob und wann dieser Schritt für das gesamte, sichtbare Spektrum von Rot bis Violett funktionieren und damit die Anzahl von Digitalbildern pro Speicherchip vervielfachen könnte, lässt sich heute noch nicht absehen.

Jan Oliver Löfken