Ultraflache bipolare Meta-Linse entwickelt
Nutzung des Materials aus Glas und Gold bei optischen Schaltkreisen und Leuchtdioden möglich.
Forscher aus Paderborn und Birmingham haben gemeinsam die weltweit erste ultraflache Linse für sichtbares Licht entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen geschliffenen Glaslinsen ist die neue Linse flach und extrem dünn. Sie ist nur 20 bis 30 Nanometer dick, ein menschliches Haar ist vergleichsweise etwa 2000 Mal dicker. Die Linse besteht aus einem neuartigen Metamaterial, einer Kombination aus Glas und Gold und vergrößert bzw. verkleinert Objekte in Abhängigkeit des Polarisationszustands des einfallenden Lichts.
Abb.: Ein Blick durch das Rasterelektronenmikroskop zeigt die Struktur der ausgerichteten Goldstäbchen auf der Glasoberfläche. (Bild: U. Paderborn)
Thomas Zentgraf von der Universität Paderborn und Shuang Zhang von der Universität Birmingham haben mit ihren Mitarbeitern das Metamaterial der neuen Linse aus einer künstlich hergestellten, mikroskopisch feinen Struktur geschaffen. Auf einem Glasträger wurden mittels Elektronenstrahllithografie 100 bis 200 Nanometer lange Goldstäbchen erzeugt. Je nachdem, wie diese Stäbchen ausgerichtet waren, beeinflussten sie das auftreffende Licht wie kleine Antennen lokal unterschiedlich. Damit konnte der Effekt einer normalen Streu- oder Sammellinse erzielt werden. Traf rechts zirkular polarisiertes Licht auf die Meta-Linse, wirkte sie fokussierend. Bei links zirkular polarisiertem Licht wurde der Lichtstrahl gestreut. Die Wirkung der Meta-Linse konnte somit durch einfaches Verändern des Schwingungszustandes des Lichts verändert werden und war nicht wie bei einer klassischen Linse fest vorgegeben.
Abb.: Der Effekt, den die Meta-Linse erzeugt, ist von der Polarisation des einfallenden Lichts anhängig. (Bild: U. Paderborn)
Da die Größe der Goldstäbchen in der Linse jeweils auf die Wellenlänge des verwendeten Lichts abgestimmt sein muss, sind die Strukturen auf der Linse entsprechend klein. „Wir haben am Ende des Spektrums des sichtbaren Lichts bei zirka 700 Nanometern getestet“, so Thomas Zentgraf: „Hier bewegen wir uns an der Grenze des zur Zeit technisch Machbaren mit der Elektronenstrahllithografie, aber auch das wird sich entwickeln.“
Die Meta-Linse kann in Bauteilen für die Photonik genutzt werden und ermöglicht aufgrund ihrer flachen Form eine sehr kompakte Bauweise, beispielsweise in integrierten optischen Schaltkreisen oder bei der Strahlformung des Lichts von Leuchtdioden. Weitere Anwendungen sind in der Biophysik denkbar, etwa bei optische Pinzetten. Und für zukünftige Entwicklungen eines Quantencomputers könnte die Linse die Funktionsweise der Transistoren übernehmen, wenn sie quasi als „Licht-Schalter“ eingesetzt wird.
U. Paderborn / PH
