Schaltbarer Infrarotfilter aus Metamaterial

Metamaterialien bilden wegen ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften die Grundlage für Tarnkappen und extrem flache Metalinsen. Verantwortlich dafür ist die symmetrische Anordnung von metallischen oder isolierenden Mikrostrukturen. Physiker in Großbritannien fanden nun einen eleganten Weg, wie sich die optischen Eigenschaften solcher Metamaterialien mit kurzen Laserblitzen gezielt verändern ließen. In der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ präsentieren sie einen ersten Prototyp eines schaltbaren Metamaterials auf der Basis einer Substanz, die – per Licht gesteuert – zwischen kristalliner und amorpher Phase wechseln konnte.

Mikroskopaufnahme des schaltbaren Metamaterials

„Metamaterialien bilden die technologische Plattform für neue Optiken des 21. Jahrhunderts“, sagt Kevin MacDonald von der University of Southampton. Und wenn sich diese Metamaterialien zusätzlich noch auf Knopfdruck verändern lassen, erweitert sich das Anwendungsspektrum deutlich. Die Grundlage dazu legte MacDonald mit seinen Kollegen mit einer Metalllegierung aus Germanium, Antimon und Tellur, kurz GST. In dieser Legierung verteilten sich die Metallatome zuerst in einer ungeordneten, amorphen Phase. Doch ein kurzer grüner Laserblitz reichte aus, um GST an der Oberfläche in eine kristalline Phase mit einer geordneten Atomstruktur umzuwandeln.

Für ihren Prototyp eines schaltbaren Metamaterials dampften die Forscher eine nur ein drittel millionstel Meter dünne amorphe GST-Schicht auf einer Unterlage auf. Diese Schicht unterteilten sie in zahlreiche kleine, symmetrisch angeordnete Teilstücke. Dank dieser Struktur blockte dieses Metamaterial Infrarotlicht effektiv ab. Das änderte sich nach einer kurzen Belichtung mit einem grünen Laser. Die Oberfläche der amorphen Legierung wechselte die Phase und wurde kristallin. In diesem Zustand bildete das Metamaterial für Infrarotlicht keine Barriere mehr.

Mit diesem variablen Infrarotblocker ging es MacDonald und Kollegen noch nicht um konkrete Anwendungen, sondern erst einmal um die reine Demonstration einer schaltbaren Optik aus einem Phasenwechselmaterial. Doch nach diesem Prinzip könnten in Zukunft – abhängig von der Gestaltung der mikroskopisch kleinen Strukturen – weitere schaltbare Metamaterialien entwickelt werden. Diese könnten für die Datenverarbeitung und -leitung mit Lichtwellen und in ferner Zukunft eventuell auch für schaltbare Tarnkappen genutzt werden.