Metamaterial für sichtbares Licht

Ein künstlicher Kristall zeigt einen negativen Brechungsindex bei 780 Nanometer Wellenlänge.

Metamaterialien besitzen optische Eigenschaften, die man noch vor wenigen Jahren für unmöglich gehalten hätte. Ihr Brechungsindex n kann in einem bestimmten Frequenzbereich maßgeschneidert werden und dabei sogar negative Werte annehmen. Bisher ließ sich das allerdings nur für Mikrowellen und Infrarotstrahlung erreichen. Doch jetzt haben Forscher der Universität Karlsruhe ein Metamaterial hergestellt, das einen negativen Brechungsindex für sichtbares Licht aufweist. Dies hat ungewöhnliche Konsequenzen und eröffnet interessante Möglichkeiten.

Die elektromagnetischen Eigenschaften eines homogenen Materials werden durch die entsprechenden Eigenschaften seiner Atome eingeschränkt. So ist kein homogenes Material bekannt, dessen dielektrische Funktion ε und magnetische Permeabilität μ bei derselben Frequenz negativ werden. Für die Resonanzfrequenzen, bei denen ε sein Vorzeichen wechselt, hat μ normalerweise den Wert 1. Bei einem Metamaterial ist das anders, da es aus einer periodischen Anordnung funktionaler Bauelemente besteht, deren elektromagnetische Eigenschaften man variieren kann. Auf elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge deutlich größer ist als diese Bauelemente, wirkt das Metamaterial wie ein homogener Stoff. Je kürzer die Wellenlänge ist, umso feiner muss das Material strukturiert sein.

Die ersten Metamaterialien waren für Mikrowellen konstruiert worden. Ihre funktionalen Bauelemente ließen sich noch mit bloßem Auge betrachten. Sie enthielten geschlitzte Metallringe, die eine elektrische und eine magnetische Resonanz nahezu bei derselben Frequenz zeigten. Für bestimmte Mikrowellenfrequenzen geschah dann das bisher nicht für möglich gehaltene: ε und μ wurden gleichzeitig negativ und mit ihnen der Brechungsindex n. Die Mikrowellen liefen dann „rückwärts“ durch das Metamaterial, entgegen der Richtung des Energietransports. Das negative n führte außerdem zu einer seltsamen Lichtbrechung: Die Wellen wurden beim Übergang ins Metamaterial über das Lot hinaus zu einem negativen Winkel hin gebrochen. Vieldiskutierte Anwendung dieses Effekts sind Superlinsen, die eine optische Auflösung weit unterhalb der Beugungsgrenze ermöglichen sollen, und Tarnmäntel, die Gegenstände unsichtbar machen, indem sie das Licht um sie herumführen.

Die Entwicklung von Metamaterialien für immer kürzere Wellenlängen hat mit der Arbeit der Karlsruher Forscher um Martin Wegener einen Meilenstein erreicht: Die ungewöhnlichen Eigenschaften von Metamaterialien sind erstmals „sichtbar“ geworden. Die Wissenschaftler fertigten eine quadratische Gitterstruktur auf einem Glasplättchen, deren Löcher 100 nm groß waren. Die 70 nm breiten Stege des Gitters bestanden aus zwei übereinander liegenden 40 nm dicken Silberschichten, zwischen denen sich eine 17 nm dünne Magnesiumfluoridschicht befand. Während diese Sandwichstruktur für die nötige magnetische Resonanz sorgte, führten die Silberstege zu einer elektrischen Resonanz, wenn das zweidimensionale Metamaterial senkrecht mit rotem Licht bestrahlt wurde. Bei 780 nm, so zeigten Berechnungen, sollte der Realteil des (komplexen) Brechungsindex den Wert –0,6 haben (während der Imaginärteil etwa 1,2 betragen würde).

Abb.: Mit diesem Interferometer lässt sich der Brechungsindex des neuen Metamaterials experimentell bestimmen. (Qulle: Uni Karlsruhe, Wegener)

Um den Brechungsindex experimentell zu bestimmen, schickten die Forscher Laserlichtpulse durch das Metamaterial und beobachteten, wie sich die Einhüllende und die Trägerwelle der einzelnen Lichtpulse dabei verhielten (Abb.). Läuft ein Lichtpuls durch ein transparentes Material mit positivem Brechungsindex, so führt die verringert Lichtgeschwindigkeit im Material zu einer Verzögerung des Lichtpulses und der Phase der Lichtwelle. In einem Material mit negativem Brechungsindex werden Lichtpuls und Phase nicht verzögert sondern beschleunigt. Tatsächlich sollte der Scheitel des Lichtpulses das Material auf der Rückseite schon wieder verlassen noch bevor er auf der Vorderseite in das Material hineingelangt ist. Solch scheinbar paradoxes Verhalten erklärt sich dadurch, dass der Lichtpuls beim Durchgang durch das Material seine Form und Größe stark verändert. Dabei läuft der Scheitel des Pulses in die „falsche“ Richtung. Das Licht breitet sich aber dennoch streng kausal aus.

Die „negative Verzögerung“ der Lichtpulse bestimmten die Forscher mithilfe eines Interferometers. Sie brachten das Metamaterial in den einen Arm des Interferometers, während der andere Arm leer blieb. Anschließend wurden Lichtpulse durch die beiden Arme des Interferometers geschickt und zur Interferenz gebracht. Das Interferenzsignal änderte sich, wenn das Metamaterial wieder aus dem Interferometer entfernt wurde. Aus der beobachteten Verschiebung der Linien und der Einhüllenden des Interferenzsignals ermittelten die Forscher, wie stark das Metamaterial die Phase der Trägerwelle bzw. die Pulse verschoben hatte. Die gemessenen Verschiebungen stimmten mit den berechneten hervorragend überein und belegten damit, dass das Metamaterial tatsächlich einen negativen Brechungsindex hatte.

Ein direkter Nachweis der „negativen“ Lichtbrechung ist mit den 0,1 mm großen Plättchen aus Metamaterial derzeit nicht möglich, da sie ein negatives n nur für senkrecht auftreffendes Licht zeigen. Und auch auf dem Weg zu noch kürzeren Wellenlängen treten Probleme auf, da die Silberstrukturen im Metamaterial das Licht umso stärker absorbieren je kurzwelliger es wird. Hier scheint die bisherige Konstruktionstechnik für Metamaterialien ausgereizt und es sind neue Ideen gefragt.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  G. Dolling et al.: Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength. Optics Letters 32, 53 (2007).
  http://ol.osa.org/abstract.cfm?id=119886
  http://arxiv.org/abs/physics/0607135
• Arbeitsgruppe von Martin Wegener an der Universität Karlsruhe:
  http://www.aph.uni-karlsruhe.de/ag/wegener/index.de.html

Weitere Literatur:

• G. Dolling et al.: Simultaneous Negative Phase and Group Velocity of Light in a Metamaterial. Science 312, 892 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1126021
• S. Zhang et al.: Near-infrared double negative metamaterials. Opt. Express 13, 4922 (2005).
  http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?id=84557 (frei!)
• Stefan Linden und Martin Wegener: Metamaterialien werden „sichtbar“, Physik Journal 5 (12), 29 (2006).
  http://www.pro-physik.de/Phy/pdfstart.do?mid=3&articleid=24503&recordid=24535