Metamaterial ermöglicht negative Lichtbrechung im Ultravioletten

Kleine Schaltkreise auf Computerchips oder schärfere Bilder aus dem menschlichen Körper: Für diese Ziele arbeiten Physiker an optischen Materialien, die eine negative Lichtbrechung aufweisen und die Grundlage für neuartige Superlinsen liefern. Nun gelang Wissenschaftlern der Bau eines Metamaterials, das für ultraviolettes Licht einen negativen Brechnungsindex in allen drei Raumdimensionen zeigte. Lichtwellen werden dabei nicht wie herkömmlich zum Lot hin gebrochen, sondern genau in die andere Richtung vom Lot weg. In der Fachzeitschrift „Nature“ erläutern die Forscher die Fertigung des Metamaterials, das aus mehreren, nur etwa 30 Millionstel Millimeter dünnen Schichten aus Silber und Titandioxid besteht.

Linse aus Metamaterial

„Wir erwarten von dem neuen Metamaterial eine größere Flexibilität bei der Kontrolle von UV-Licht auf der Nanoskala“, sagt Henri Lezec vom National Institute of Standard and Technology in Gaithersburg. Dazu stapelte er zusammen mit seinen Kollegen abwechselnd dünne Lagen aus Silber und nichtmetallischem Titandioxid auf einen Glasträger. Fiel nun ultraviolettes Licht auf diese insgesamt etwa einen halben Mikrometer dicke Schichtstruktur, kam es zu einer quantenphysikalischen Wechselwirkung zwischen Lichtwellen und den Ladungsträgern in dem Metamaterial. Es traten Kopplungen zwischen den elektromagnetischen Wellen und sogenannten Plasmonen auf, mit denen Physiker Schwankungen der Ladungsträgerdichte beschreiben. Durch diese Kopplungen wurde die Ausbreitung der Lichtwellen so beeinflusst, dass sie negativ gebrochen wurden.

In mehreren Versuchen optimierten Lezec und Kollegen ihr Metamaterial für Licht mit einer Wellenlänge von 363,8 Nanometern. Sie erreichten einen Brechunsindex von -1 für Einfallswinkel zwischen 10 und 60 Grad. Für größere und kleinere Winkel reagierte das Material wie alle bisher bekannten Substanzen und brach das Licht positiv. Dennoch eignete es sich zum Bau einer neuartigen, völlig ebenen Linse. Diese konnte mit einer Brennweite von 500 Nanometer einfallendes UV-Licht so bündeln, dass unterschiedlich geformte Blenden in exakt der gleichen Größe abgebildet wurden. Dieser Effekt ist nur möglich, wenn eine ebene Linse tatsächlich einen negativen Brechungsindex von -1 aufweist.

Mit diesem Metamaterial lassen sich nun neuartige Linsen für ultraviolettes Licht fertigen. Besonders für die Struktuierung von Chipstrukturen mit lithografischen Methoden könnte dies interessant sein. Weitere Anwendungen sieht Lezec für die Manipulation von Naopartikeln mit Licht oder bildgebende Verfahren, die dreidimensionale Aufnahmen etwa in der Medizintechnik liefern könnten.