Schaltbares Metamaterial aus Phasenwechsel-Legierung

Symmetrische Strukturen aus Metallen oder Dielek­trika bilden die Grund­lage für Meta­materi­alien mit einzig­artigen optischen Eigen­schaften. Nach ersten Tarn­kappen für einzelne Spektral­bereiche und extrem flachen Meta­linsen gelang es jetzt Forschern in Groß­britannien, ein schalt­bares Meta­material zu entwickeln. Kurze Laser­blitze reichten aus, um die Trans­missions­eigen­schaften für Infra­rot­licht funda­mental zu verändern. Auf der Basis schalt­barer Meta­materi­alien könnten in Zukunft viel­seitige Linsen­systeme etwa für die optische Daten­über­tragung entwickelt werden.

Für ihren Prototyp nutzten Kevin MacDonald und seine Kollegen von der Uni­ver­sity of South­ampton eine Phasen­wechsel-Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur, kurz GST. Auf einen flachen Quarz-Träger depo­nierten sie eine drei­hundert Nano­meter dünne, amorphe GST-Schicht. Mit einem stark fokus­sierten Ionen­strahl struktu­rierten sie diese Schicht und erhielten zahl­reiche etwa 130 Nano­meter breite Abschnitte, die parallel in Abständen zwischen 750 und 950 Nano­metern ange­ordnet sind.

Dieses symmetrisch aufgebaute Metamaterial kommt ohne die sonst oft verwen­deten Gold­schichten aus und ist für Infra­rot­licht von 1300 bis 1600 Nano­metern undurch­lässig. Das ändert sich aber nach einer kurzen Belichtung mit einem grünen Laser mit 532 Nano­metern Wellen­länge. Die Ober­fläche wird dadurch kurz über die Glas­über­gangs­tempe­ratur aufge­heizt und wechselt von der amorphen in die kristal­line Phase. In diesem Zustand verändern sich die Trans­missions­eigen­schaften des Meta­materials drastisch und Infra­rot­licht kann die GST-Schicht mit nur geringen Ver­lusten durch­dringen.

Mit diesem mit Licht kontrollierbaren Metamaterial wollen MacDonald und Kollegen noch keine schalt­baren Tarn­kappen oder flachen Linsen fertigen. Es ging ihnen mit dem vari­ablen Infra­rot­blocker erst einmal um die reine Demon­stration einer schalt­baren Optik aus einem Phasen­wechsel­material. In weiteren Versuchen wollen sie es schaffen, den bisher nur einmal reali­sierten Schalt­prozess mit einem rever­siblen Phasen­wechsel mehr­fach zu wieder­holen. Dann könnten nach diesem Prinzip in Zukunft – abhängig von der Gestal­tung der mikro­skopisch kleinen Struk­turen – weitere schalt­bare Meta­materi­alien etwa für die optische Daten­über­tragung ent­wickelt werden.

Jan Oliver Löfken

RK