28.07.2006

Magnetische Metamaterialien

Magnetische Felder beeinflussen nichtlineare optische Eigenschaften.

Magentische Metamaterialien

Magnetische Felder beeinflussen nichtlineare optische Eigenschaften

Karlsruhe - Großes Interesse haben so genannte Metamaterialien in den letzten Jahren auf sich gezogen. Mit negativen Brechungsindizes stellen sie die Gesetze der Optik, wie sie bei natürlichen Materialien bekannt sind, auf den Kopf. Allein die Struktur der Substanzen und nicht mehr ihre stofflichen Eigenschaften sind dafür verantwortlich. Karlsruher Physiker zeigten nun erstmals, dass nicht nur das elektrische Feld einer elektromagnetischen Welle, sondern auch das magnetische Feld eine große Rolle bei nichtlinearen optischen Effekten spielt. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Zeitschrift "Science".

"Schon früher haben andere Gruppen gezeigt, dass sich die linearen optischen Eigenschaften von Metamaterialien maßschneidern lassen", sagt Stefan Linden vom Institut für Angewandte Physik an der Universität Karlsruhe. "Allein eine clevere geometrische Struktur erlaubt es, optische Eigenschaften zu generieren, die es in der Natur nicht gibt." Zusammen mit seiner Arbeitsgruppe konnte der Physiker nun belegen, dass dies auch für die nichtlinearen optischen Effekte gilt, bei denen die magnetische Komponente einer elektromagnetischen Welle entscheidend ist. Praktisch nutzte das Team diesen Zusammenhang für den Aufbau eines Frequenzverdopplers. Nach der Einstrahlung von infrarotem Laserlicht (Wellenlänge ~1500 Nanometer) reagierte ihr Metamaterial - ein nanostrukturierter Split-Ring-Resonator aus Gold - mit der Aussendung von Photonen im Bereich von 800 Nanometern und der doppelten Frequenz.

"Eine Frequenzverdopplung ist beispielsweise schon bei grünen Laserpointern, in dem die Frequenz von nahinfrarotem Licht verdoppelt wird, bekannt", sagt Linden. Doch bei diesen Modulen spiele nur das elektrische Feld eine Rolle. In ihrem Ringresonator mit wenige hundert Nanometer kleinen Strukturen (220nm, 305 nm) ist im wesentlichen das magnetische Feld für die Frequenzverdopplung verantwortlich. Der Grund liegt in der Lorentz-Kraft, die beim Lichteinfall in dem Karlsruher Metamaterial wirkt. Laut Theorie erhält man in Abhängigkeit vom magnetischen Feld B eine oszillierende Elektronenbewegung mit der doppelten Frequenz des Lichtes. Für freie Elektronen im Vakuum ist ein vergleichbarer Effekt als Larmor-Strahlung bekannt.

Die Lichtausbeute dieses grundlegenden Experiments ist allerdings noch sehr gering. "Die Effizienz der Umwandlung liegt bei etwa eins zu einer Million", sagt Linden. Doch hält er es für möglich, diese Ausbeute noch zu steigern. "Zudem werden wir die Versuche auf andere nichtlineare Prozesse ausweiten." Linden denkt dabei unter anderem an eine Frequenzverdreifachung.

Auch wenn es sich bei den Karlsruher Experimenten um reine Grundlagenforschung handelt, sieht Linden ein großes Potenzial für Metamaterialien. "Sie könnten zu einer Revolution bei den optischen Materialien führen." Neben perfekten Linsen und winzigen Richtantennen halten einige Wissenschaftler sogar Anwendungen für Beschichtungen von Tarnkappenflugzeugen und Radarkuppeln für möglich.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

  • "Second-Harmonic Generation from Magnetic Metamaterials", M.W. Klein et al, Science, 313, S. 502
    DOI: 10.1126/science.1129198

Weiterführende Literatur:

  • G. Veselago, Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968).

  • J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, W. J. Stewart, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 47, 2075 (1999).
  • J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000).
  • R. A. Shelby, D. R. Smith, S. Schultz, Science 292, 77 (2001).
  • T. J. Yen et al., Science 303, 1494 (2004).
  • S. Linden et al., Science 306, 1351 (2004).
  • M. Wegener, Extreme Nonlinear Optics (Springer, Berlin, ).

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