Wenn Lichtwellen in die falsche Richtung gebrochen werden, sind extreme optische Elemente möglich – Physiker bauen Linse mit bisher kürzester Brennweite

Linse aus Metamaterial

Boston (USA) - Mit einer Brennweite von nur zwölf millionstel Millimeter stellen amerikanische Physiker von der Northeastern University in Boston einen neuen Rekord für optische Linsen auf. Mit einem photonischen Kristall aus Halbleiterwerkstoffen kann die Rekordlinse, die im Infrarotbereich wirkt, optische Datennetze verbessern und die Kapazität vorhandener Glasfasernetzwerke steigern. Die Details zu der bereits zum Patent angemeldeten Linse präsentieren die Wissenschaftler im Fachblatt "Applied Physics Letters".

"Wir haben die erste Konkav-Linse mit negativem Brechungsindex für Telekommunikations-Frequenzen mit einem ultrakurzen Fokus hergestellt", sagt Srinivas Sridhar, der Leiter der Studie. Aufgebaut ist die Rekordlinse aus so genanntem Metamaterial, das Lichtwellen in die andere Richtung bricht, als es bei allen natürlich vorkommenden Linsenwerkstoffen üblich ist. Im Detail besteht die Linse aus den nanostrukturierten Verbindungshalbleitern Indiumphosphid und Indiumgalliumarsenphosphid. Die Linse mit einem Krümmungsradius von nur 20 Mikrometern enthält dabei in streng sdymmtrischer Anordnung winzige mit Luft gefüllte Hohlräume mit knapp einem Drittel Mikrometer Durchmesser.

Aufsehen erregten Metamaterialien in den letzten Monaten als potenzielle Werkstoffe für Tarnkappen. Durch ihre besonderen optischen Eigenschaften – hier ein Brechungsindex von minus 0,7 – können sie Lichtwellen so um ein Objekt herumlenken, dass es prinzipiell von den Augen eines Betrachters gar nicht wahrgenommen werden kann. Steckt diese Tarnkappenforschung trozt erster Erfolge noch in den Kinderschuhen, setzen neue optische Komponenten aus Metamaterialien zum Sprung in die Anwendung an.

Das Team um Srinivas Sridhar will seine Infrarotlinse mit Rekordfokus nun in nutzbare optische Komponenten integrieren. Grundsätzlich sind Linsen mit negativem Brechungsindex auch für Lichtwellen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums möglich. Das könnte zu extrem kompakten und dennoch leistungsfähigen Objektiven führen. "Man lernt die Optik wieder von Anfang an", beurteilt auch Physiker Stefan Linden von der Universität Karlsruhe das Potenzial der Metamaterialien.