Strukturiertes Material erreicht einen Brechungsindex von über 30 für Terahertzwellen

Metamaterial mit extrem hohen Brechungsindex

Daejeon (Korea) - Mit extrem fein strukturierten Werkstoffen, so genannten Metamaterialien, lassen sich erste Tarnkappen im sichtbaren Lichtspektrum bauen. Doch die optischen Eigenschaften dieser Strukturen reichen sehr viel weiter. So entwickelten nun koreanische Wissenschaftler ein Metamaterial, das elektromagnetische Wellen sehr viel stärker brechen kann als alles, was in der Natur bisher beobachtet wurde. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, erzielten sie einen Brechungsindex von 33,2. Normalerweise rangieren diese Werte zwischen 1 und 3.

Der Rekord-Wellenbrecher besteht auf den ersten Blick aus einer gold schimmernden, flexiblen Plastikfolie. Auf eine dünne Polyimid-Schicht setzten Muhan Choi und seine Kollegen vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) viele metallene Streifen aus Aluminium und Gold. Voneinander waren diese Metallstreifen, deren Form an ein großes "I" erinnert, je nur einige zehn Nanometer voneinander entfernt und bildeten ein symmetrisch aufgebautes Gitter. Sie sind der Grund für die bisher einzigartige Manipulation von elektromagnetischen Wellen.

In ihren ersten Versuchen schickten die Forscher allerdings kein sichtbares Licht, sondern Terahertzwellen auf ihr Metamaterial. Dank der feinen Metallstreifen erzeugten die Wellen ein starkes Dipolmoment und veränderten die elektrischen und magnetische Komponenten des Wellenfelds dramatisch. Reflektierte Terahertzwellen wurden dadurch sehr viel stärker gebrochen, als es jedes bisher bekannte Material vermag. Über einen breiten Spektralbereich konnten die Messungen den hohen Brechungsindex von 33,2 bestätigen.

"Die Prinzipien von hochbrechenden Metamaterialien sind universell", schreiben Choi und Kollegen. Daher könnte dieser Effekt mit anderen Metamaterialien auch für andere Wellenlängen bis in den sichtbaren Spektralbereich oder für Radiowellen erreicht werden. Das würde ein sehr weites Feld neuer Anwendungen ermöglichen. So ließen sich damit Linsen bauen, mit denen Chiphersteller noch viel kleinere Schaltkreise auf ihre Silizium-Rohlinge bannen könnten. Die extrem hohe Lichtbrechung könnte aber auch zu viel schärferen Aufnahmen aus dem Körperinneren führen als heute möglich. "Choi und Kollegen zeigten ein bisher verstecktes Potenzial der Metamaterialien, womit die Barrieren natürlicher Werkstoffe weit überschritten werden könnten", beurteilt Xiang Zhang von der University of California in Berkeley die Ergebnisse in einem begleitenden Kommentar.