Physiker bauen aus dreidimensionalen Strukturen neue Metamaterialien, die Lichtwellen geschickt um Objekte herum lenken können

Berkeley (USA) - Unsichtbar für Freund und vor allem Feind - dieser Traum durchzieht seit Jahrtausenden alte und neue Mythen der Menschheit vom Nibelungenheld Siegfried bis Harry Potter. Solche Tarnmäntel sollen auf so genannten Metamaterialien basieren, deren junge Entwicklung seit etwa sechs Jahren enorme Fortschritte macht. Physiker von der University of California in Berkeley nahmen nun eine weitere wichtige Hürde auf dem langen Entwicklungsweg. Wie sie diese Woche in den Zeitschriften "Nature" und "Science" berichten, konnten sie nach flachen Prototypen nun erstmals auch dreidimensional aufgebaute Metamaterialien herstellen.

"Metamaterialien sind künstliche Komposite, die außergewöhnliche, in der Natur nicht vorkommende, optische Eigenschaften besitzen", erklären Xiang Zhang und seine Kollegen vom Nanoscale Science and Engineering Center an der Berkeley-Universität. Mit ihnen lassen sich einfallende Lichtstrahlen genau in die andere Richtung umlenken als alle anderen bekannten Substanzen, seien es Glaslinsen oder durchsichtige Flüssigkeiten. Mit diesem negativen Brechungsindex ist es möglich, Lichtwellen so um ein Objekt herum zu lenken, dass ein Beobachter dieses Objekt gar nicht mehr wahrnehmen kann.

Bisher bestanden diese Metamaterialien aus nanostrukturierten, flachen Folien. In Berkeley gelang der Schritt in die dritte Dimension. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, Licht verschiedener Farben aus einem breiten Blickfeld manipulieren zu können. Diese ersten dreidimensionalen Strukturen bestehen aus einem Stapel aus hauchdünnen Silber- und Magnesiumdifluorid-Filmen. Die Substanzen sind wie in einem Fischgrätmuster mit Abständen zwischen 265 und 860 Nanometern angeordnet. Damit lassen sich infrarote Lichtwellen zwischen 1200 und 1700 Nanometern Länge, die beispielsweise zur optischen Übertragung von Daten in Glasfasern genutzt werden, beeinflussen. Mit einem etwas anderen Aufbau aus Silber-Nanodrähten gelingt der Trick mit der negativen Lichtbrechung sogar mit sichtbarem rotem Licht von 660 Nanometern Wellenlänge.

Die ersten Physiker auf dem Weg zu einer Tarnkappe sind die Berkeley-Forscher allerdings nicht. Bereits vor zwei Jahren ließen Physiker der Duke University bereits einen kleinen Kupferblock hinter einem Tarnmantel verschwinden. Allerdings war dieser nur unsichtbar für Mikrowellen, aber nicht im eigentlichen sichtbaren Teil des Wellenspektrums. Erst letztes Jahr schuf Stefan Linden mit seinen Kollegen Costas Soukoulis und Martin Wegener das erste Metamaterial für sichtbares Licht überhaupt. Die Karlsruher Forscher ätzten winzige Strukturen im Fischnetz-Design in dünne Lagen aus Silber und Magnesiumflourid. Mit nur etwa 100 millionstel Millimeter kleinen Löchern in diesen Schichten konnte rotes Licht mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern in die "falsche" Richtung abgelenkt werden. Diese Arbeit diente als Grundlage für die neuen, dreidimensionalen Metamateralien aus Berkeley.

Ob nun der Aufbau einer optischen Tarnkappe für das gesamte sichtbare Spektrum, von rot bis blau, klappen wird, können die Physiker noch nicht eindeutig sagen. "Ich halte es für ausgeschlossen, größere Objekte unsichtbar zu machen", sagt Linden. Das sei aus technologischer Sicht zu aufwändig. So bleibt die Tarnung von Soldaten oder militärischem Gerät erstmal ein Traum. Aber das Interesse der Physiker bleibt ausgesprochen groß. "Man lernt die Optik wieder von Anfang an", sagt Stefan Linden. "Und es ist unmöglich sich alle Anwendungen vorzustellen, die auf Metamateralien aufbauen könnten", sagt auch Duke-Forscher David Schurig. Über die Tarnkappe hinaus reichen realistischere Ideen von ultraflachen Linsen bis hin zu besseren, optischen Datenkanälen.