Vielfach suchen Forscher nach Materialien mit negativem Brechungsindex: Dabei wird Licht auf völlig unnatürliche Weise entgegen seiner normalen Richtung gebogen – unabdingbare Voraussetzung für die Herstellung einer "Tarnkappe". Südkoreanische Physiker haben nun ein Material hergestellt, das Licht im Gegenteil viel stärker bricht als jeder natürliche Stoff. Anwendungen hierfür könnten in der hochauflösenden Optik liegen.
Regelmäßige Goldplättchen | Die Grafik illustriert den Aufbau des Metamaterials: Es besteht aus zahllosen goldenen Plättchen in I-Form – Auf den beiden Querbalken des "I" entstehen die Dipole, die für den hohen Brechungsindex sorgen.
Ihr Metamaterial habe für Strahlung im Terahertzbereich einen positiven Brechungsindex von 38,8 erreicht, schreiben die Forscher um Muhan Choi vom Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon [1]. Natürliche Materialien haben normalerweise einen Brechungsindex zwischen eins und drei.
Die Forscher fertigten dazu Plastikfolien an, in die sie zahllose I-förmige und regelmäßig angeordnete Goldplättchen einbetteten. Jedes der Goldplättchen hatte eine Seitenlänge von etwa 60 Mikrometer und war somit kleiner als die Wellenlänge von Terahertz-Licht. Daher reagieren sie im Kollektiv wie ein homogenes Material auf die Lichtwelle. Zwischen den Plättchen entstehen durch das eingestrahlte Licht elektrische Dipole. Diese erreichen wegen der Nähe der Plättchen zueinander eine äußerst große Stärke, was zu dem extremen Brechungsindex führt.
Metamaterial im Biegetest | Die feinen Goldplättchen färben die Kunststofffolie gelb ein. Wie die Forscher demonstrieren, lässt sie sich vergleichsweise einfach biegen.
Mit einem Stapel solcher Einzelfolien stellten die Forscher auch ein "dreidimensionales" Metamaterial her, das einen Brechungsindex von 32,3 erreichte. Dank sehr dünner Goldplättchen verliert die Lichtwelle vergleichsweise wenig Energie, wenn sie das Material passiert. Außerdem behält die Folie ihren großen Brechungsindex für eine ganze Bandbreite von Terahertz-Wellenlängen bei. Ein Nachteil sei, dass der Brechungsindex von der Polarisationsrichtung des Lichts abhänge, kommentiert der Physiker Xiang Zhang von der University of California in Berkley [2].
Der Rekord-Brechungsindex lässt aber auch ihn auf spektakuläre Anwendungen hoffen. Computerchiphersteller wären von einer Linse mit großen Brechungsindex begeistert, denn sie würde die Fertigung sehr viel kleinerer Chips ermöglichen. (cm)
Quellen
Lexika
[1] Nature 10.1038/nature09776, 2011 [2] Nature 470, S. 343–344, 2011
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