Metamaterialien mit Dreh oder Gedächtnis

Zwei neue nanostrukturierte Materialien zeigen bemerkenswerte optische Eigenschaften.

Metamaterialien sind künstliche Kristalle aus Bausteinen mit maßgeschneiderten elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Ein hinreichend langwelliges elektromagnetisches Feld kann die Mikrostruktur eines solchen künstlichen Kristalls nicht auflösen. Deshalb nimmt es ihn als homogene Substanz wahr, deren physikalische Eigenschaften mit natürlichen Materialien nur schwer oder gar nicht verwirklicht werden können. Ein Beispiel dafür sind Metamaterialien mit negativem Brechungsindex, die das Licht in die falsche Richtung brechen. Zwei jetzt vorgestellte Metamaterialien haben eine ungewöhnliche Wirkung auf zirkular polarisiertes Licht bzw. ein Gedächtnis für unterschiedliche optische Eigenschaften.

Justyna Gansel und ihre Kollegen von der Universität Karlsruhe haben ein Metamaterial mit einer linkshändigen Mikrostruktur entwickelt, das eine sehr stark polarisierende Wirkung auf Licht hat. Während es linkszirkular polarisierte Infrarotstrahlung in einem weiten Wellenlängenbereich fast vollständig reflektiert, lässt es die rechtszirkular polarisierte Strahlung durch. Das Material enthält eine zweidimensionale regelmäßige Anordnung von mikroskopisch kleinen Wendeln aus Gold, die einer linkshändigen Schraubenlinie folgten und dabei zwei vollständige Drehungen machten. Diese auch ästhetisch sehr ansprechenden Korkenzieherstrukturen haben die Forscher mit Laserstrahlen in einen Fotolack geschrieben, herausgeätzt und anschließend elektrochemisch mit Gold gefüllt. 

Im Bereich von 5 bis 8 µm ließ das Metamaterial weniger als 10 % des linkszirkularen und mehr als 85 % des rechtszirkularen Lichtes durch. Das linkszirkulare Licht regte entlang der Goldwendeln resonante elektrische Ströme an. Diese Resonanzen führten zusammen mit Bragg-Reflektionen an der periodischen Ladungsverteilung in den Goldwendeln dazu, dass nur ein geringer Teil des linkszirkularen Lichts das Metamaterial passieren konnte, während der größte Teil des Lichts über einen großen Wellenlängenbereich absorbiert oder reflektiert wurde. Die Korkenzieherschicht wirkte also stark polarisierend obwohl sie nur 4 µm dick war. Eine zirkular polarisierende Wirkung über einen noch größeren Wellenlängenbereich versprechen sich die Forscher von einem Metamaterial mit konischen Goldwendeln, bei denen der Wendeldurchmesser stetig entlang der Achse zunimmt.

Ein Metamaterial mit Gedächtnis, dessen optische Eigenschaften mit kurzen Strompulsen umgeschaltet werden können, haben Tom Driscoll von der UC San Diego und seine Kollegen entwickelt. Dazu haben sie auf eine 90 nm dicke Schicht aus Vanadiumdioxid eine quadratische Anordnung von Resonatoren aus 20 µm großen geschlitzten Goldringen aufgebracht. Solche geschlitzten Ringe kommen in vielen Metamaterialien zum Einsatz, da ihre elektrische Permittivität ε und ihre magnetische Permeabilität µ etwa bei derselben Anregungsfrequenz resonant werden können, sodass unter Umständen der Brechungsindex negativ wird.

Die Resonanzfrequenz der geschlitzten Ringe ließ sich durch die dielektrischen Eigenschaften der VO2-Schicht beeinflussen. Vanadiumdioxid zeigt einen Isolator-Metall-Übergang, der thermisch, elektrisch oder optisch ausgelöst werden kann. Erhöhten die Forscher die Temperatur ihrer VO₂-Schicht über 340 K, so wurde das zuvor isolierende Oxid metallisch. Zugleich nahm seine elektrische Permittivität stark zu, sodass die Kapazität der aufliegenden geschlitzten Goldringe anstieg und somit ihre Resonanzfrequenz abnahm.

Der Isolator-Metall-Übergang zeigte eine starke Hysterese, sodass die VO₂-Schicht erst bei Abkühlung unter 330 K wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehrte. Die Resonanzfrequenz der Goldresonatoren übernahm die Hysterese der VO₂-Schicht und bekam damit ein Gedächtnis: Wurde die VO₂-Schicht durch einen schwachen Strompuls erwärmt, so nahm die Resonanzfrequenz ab und behielt ihren neuen Wert auch nach erneuter Abkühlung der Schicht für mehr als 10 Minuten. Auf diese Weise konnten die Forscher durch wiederholte Anwendung von Strompulsen die Resonanzfrequenz des Metamaterials schrittweise um insgesamt 20 % senken. Sie sind zuversichtlich, ein Metamaterial entwickeln zu können, das sich auch bei Zimmertemperatur und über einen größeren Frequenzbereich schalten lässt. Die Eigenschaften eines solchen Materials ließen sich schnell und flexibel an die jeweiligen Erfordernisse anpassen.

Ob mit Gedächtnis oder mit Dreh – die Möglichkeiten der Metamaterialien gehen weit über das hinaus, was „natürliche“ Stoffe zu bieten haben.

RAINER SCHARF

Weitere Infos: 

• Originalveröffentlichung:
  Justyna K. Gansel et al.: Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer. Science  (online 20.8.2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1177031

• Originalveröffentlichung:
  T. Driscoll et al.: Memory Metamaterials. Science (online 20.8.2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1176580

• Gruppe von Martin Wegener an der Uni Karlsruhe:
  http://www.aph.uni-karlsruhe.de/wegener/de/home

• Gruppe von Dimitri N. Basov an der UC San Diego:
  http://infrared.ucsd.edu/pi.html

• Stefan Linden und Martin Wegener: Metamaterialien werden „sichtbar“. Physik Journal, Dezember 2006, S. 29
  http://www.pro-physik.de/Phy/pjtoc/24503/3

• T. Driscoll et al.: Dynamic tuning of an infrared hybrid-metamaterial resonance using vanadium dioxide: Applied Physics Letters 93, 024101 (2008)
  http://infrared.ucsd.edu/basov_pubs/118-Driscoll%20APL%2093%202008.pdf (frei!)

KP