Verblüffende Einzelfrequenzspiegel

Finnische Forscher haben dünne ebene Spiegel aus Metamaterial entwickelt, die Mikrowellen einer bestimmten Frequenz in eine unerwartete Richtung reflektieren oder überraschend stark bündeln, aber für alle anderen Frequenzen transparent sind.

Metamaterialien sind künstlich strukturierte Substanzen, die zahlreiche elektrische und magnetische Resonatoren enthalten. Diese verleihen ihnen ungewöhnliche elektromagnetische Eigenschaften, wie sie natürliche Materialien nicht aufweisen können. So brechen „linkshändige“ Metamaterialien das Licht in die falsche Richtung. Ein Spiegel aus Metamaterial, den Forscher um Sergei Tretyakov von der Aalto-Universität jetzt präsentieren, reflektiert senkrecht einfallendes Licht unter einem Winkel von 45 Grad, aber nur wenn das Licht die richtige Frequenz hat – andernfalls ist das Material transparent.

Das Metamaterial besteht aus einer Lage von regelmäßig angeordneten, etwa 1 cm großen Kupferschlaufen in Ω-Form, die in eine 5 mm dicke Matrix aus Kunststoffschaum eingebettet sind. Für Mikrowellen mit einer Frequenz um 5 GHz und einer Wellenlänge von 6 cm ist der Kunststoff transparent, während die Anordnung der Resonatoren so engmaschig ist, dass die Mikrowellen ein Metamaterial mit nahezu homogenen elektromagnetischen Eigenschaften wahrnehmen.

Indem die Forscher die Form und die Größe der Kupferschlaufen systematisch über das Metamaterial variierten, gaben sie ihm ungewöhnliche Eigenschaften. War eine senkrecht einfallende ebene Mikrowelle mit den Schlaufen in Resonanz, so hatte die von ihnen daraufhin in Einfallsrichtung abstrahlte Welle eine entgegengesetzte Phase zur ursprünglichen Welle. Die beiden Wellen löschten sich hinter dem Metamaterial nahezu vollständig aus, sodass die Mikrowelle praktisch nicht durch das Material hindurchging sondern an ihm reflektiert wurde.

Die reflektierte ebene Welle kam dadurch zustande, dass die angeregten Resonatoren Teilwellen entgegen der ursprünglichen Einfallsrichtung abstrahlten, die sich dann überlagerten. Dabei waren die Kupferschlaufen so bemessen, dass die Teilwellen unterschiedliche Phasen hatten, die quer zur Einfallsrichtung in bestimmter Weise zunahmen. Die Wellenfronten der daraus resultierenden, ebenen reflektierten Welle waren dadurch um 45 Grad gegen die Einfallsrichtung geneigt. Mikrowellen einer anderen Frequenz, die nicht mit den Schlaufen in Resonanz war, wurden hingen von diesem „Metaspiegel“ durchgelassen.

Mit einer konzentrischen Anordnung von geeignet bemessenen Kupferschlaufen ließen sich die Wellenphasen so einstellen, dass die resultierende reflektierte Welle fokussiert wurde, als wäre sie von einem Hohlspiegel oder einer reflektierenden Linse zurückgeworfen worden. Dieser „Metahohlspiegel“ war jedoch völlig flach und bündelte wiederum nur Wellen einer bestimmten Frequenz, während er alle andern Wellen durchließ, wie die Experimente mit deutlich zeigten. Durch Miniaturisierung der Resonatoren und ihrer Anordnung könnte man auch Metaspiegel für Licht mit kürzerer Wellenlänge z. B. im optischen Bereich herstellen.

Die neuen Metaspiegel eröffnen ungeahnte Möglichkeiten. So könnte man durch mehrlagige Metaspiegel Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen in unterschiedliche Richtungen reflektieren oder in verschiedene Brennpunkte bündeln. Jede Lage würde nur Wellen einer bestimmten Frequenz in eine spezielle Richtung reflektierten, während die übrigen Wellen passieren und die nächste Lage erreichen könnten. Voluminöse Parabolantennen ließen sich durch dünne Metahohlspiegel ersetzt, was etwa im Falle der Radioantennen von Satelliten große Vorteile böte. Hier könnte man den dünnen Metahohlspiegel z. B. direkt auf die ebenen Sonnenkollektoren auftragen. Während die Radiowellen am Metaspiegel reflektiert werden, gelangt das sichtbare Licht ungehindert zu den Sonnenkollektoren.

Rainer Scharf

OD