Linksverkehr für grünes Licht

Metamaterialien brechen Licht falsch herum. Forscher haben diesen Effekt jetzt erstmals für sichtbare Wellenlängen im blauen und grünen Bereich demonstriert

Wenn Licht eine Stoffgrenze passiert, verlässt es den Stoff normalerweise auf der anderen Seite einer auf den Austrittspunkt gefällten Senkrechten. Das ist bei allen natürlich vorkommenden Materialien so - und lange Zeit hielt man es für ein Naturgesetz, dass der Brechungsindex, der dieses Verhalten beschreibt, immer positiv ist. Dass sich elektromagnetische Wellen auch anders verhalten können, fiel zunächst dem russischen Physiker Viktor Veselago auf, der seine theoretischen Erkenntnisse 1968 in einer Arbeit beschrieb. Materialien mit einem negativen Brechungsindex sind deshalb so spannend, weil sie allerlei Zaubertricks ermöglichen - etwa den aus der Literatur bekannten Tarnumhang (Ich sehe, dass du mich nicht siehst).

Doch auch abseits solch exotischer Anwendungen (für die manch Regierung großzügig zahlen würde) könnten diese Materialien auch die Forschung selbst beflügeln. Aus ihnen lassen sich nämlich so genannte Superlinsen konstruieren. Die haben normalen Linsen voraus, dass sie auch Strukturen abbilden können, die kleiner als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts sind.

Allerdings erweist sich die praktische Konstruktion eines Stoffs mit negativem Brechungsindex als problematisch. Damit Licht tatsächlich falsch herum gebrochen wird, müssen sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch die magnetische Permeabilität kleiner als Null sein. Die beiden Größen, die die elektrische und die magnetische Leitfähigkeit beschreiben, sind zum einen frequenzabhängig.

Schematische Darstellung der Struktur zur "Falschherum-Brechung" grünen Lichts (Bild: Henri Lezec)

Zum anderen lässt sich diese spezielle Zusammenstellung nur mit Hilfe eines so genannten Metamaterials verwirklichen. Das ist ein Material, das seine speziellen Eigenschaften nicht aus den Kennwerten der Stoffe bezieht, aus denen es besteht, sondern aus seiner speziellen Struktur. Erst in den 90-ern gelang es der Wissenschaft, entsprechende Metamaterialen praktisch herzustellen.

Weil die dafür nötigen Strukturen in der Größenordnung der Wellenlängen liegen müssen, für die der negative Brechungsindex erreicht werden soll, konnte man das elektromagnetische Spektrum erst sehr langsam aufrollen, beginnend bei den (im Gegensatz zu ihrem Namen eher langwelligen) Mikrowellen. Inzwischen ist die Forschung beim sichtbaren Licht angelangt - erst vor kurzem stellte ein deutsch-amerikanisches Wissenschaftlerteam eine Superlinse vor, die mit rotem Licht funktioniert (vgl. Peepshow für die Nanowelt).

Einer französisch-amerikanischen Gruppe ist es nun gelungenen, die fantastischen Eigenschaften auch für sichtbares Licht im blauen und grünen Bereich umzusetzen. Das Team um Henri Lezec beschreibt seine Versuche im Wissenschaftsmagazin Science. Die Wissenschaftler nutzten eine Siliziumnitrid-Membran, die sie in mehreren Schritten auf beiden Seiten mit Silber- beziehungsweise Goldatomen belegten. Wie sich das Material verhielt, hing dann stark von seiner Dicke ab - und den dadurch ermöglichten Transportmodi des Lichts im Material. Wenn die dielektrisch wirksame Dicke des optischen Elements bei nur noch 50 Nanometern liegt, zeigt sich ein deutlich negativer Brechungsindex für sichtbare Wellenlängen.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der untersuchten Struktur (Bild: Henri Lezec)

Mit der im Bild gezeigten Versuchsanordnung wiesen Lezec und Kollegen nach, dass für Wellenlängen kleiner als 685 Nanometer eindeutig ein negativer Brechungsindex vorlag. Der Effekt ließ sich über eine Breite von rund 50 Nanometern aufrechterhalten - was sich noch verbessern lassen müsste, wenn man im Kern der Anordnung ein Material mit höherer Dielektrizitätskonstante wählt.

Die von den Wissenschaftlern entwickelte Anordnung ist auch deshalb Aufsehen erregend, weil sie so simpel ist - und deshalb für eine weitere Verbesserung und für praktische Anwendungen Potenzial bietet. Damit könnte es in Zukunft eventuell auch gelingen, die Ebene zu verlassen (auf der sich die Forschung bisher abspielt) und negative Lichtbrechung auch räumlich zu realisieren. (Matthias Gräbner)