Der Begriff Hologramm lässt vor dem geistigen Auge schnell eine berühmte Szene aus "Star Wars" erscheinen. Der Roboter R2D2 projiziert darin eine dreidimensionale Abbildung von Prinzessin Leia in den Raum. Scheinbar in der Luft schwebend, bittet sie Obi-Wan Kenobi um Hilfe. Dem filmischen Vorbild wird die heutige Technik zwar noch nicht gerecht. Ein gut gemachtes Hologramm besitzt aber dennoch faszinierende Eigenschaften. Eigentlich ist es ein flaches Stück Materie, aus dem sich bei geeigneter Beleuchtung ein dreidimensionales Bild zu erheben scheint.

Wie das möglich ist, erklärt dieses Video auf dem YouTube-Kanal "Compact Physics" des Österreichers Alexander Berger, der an der TU Wien Technische Physik studiert. Seine Erläuterungen – in lockerem Ton gehalten und ohne mathematisches Beiwerk – konzentrieren sich auf die zentrale Idee der Holographie. Ein Foto fängt lediglich die Intensität und die Farbe von Licht ein, das von einem Objekt auf den Film reflektiert wird. Holographien zeichnen zusätzlich noch eine dritte Komponente auf: die Phaseninformation der Lichtstrahlen, in denen die Information über die räumliche Gestalt eines Objekts enthalten ist (siehe auch Der Traum von der täuschend echten Abbildung auf Spektrum.de).

Bekanntermaßen ist Licht eine elektromagnetische Welle mit wechselnden elektrischen und magnetischen Feldern. An welcher Stelle der Schwingung sich dieses Welle genau befindet, wird vom Begriff der Phase beschrieben. Ein Lichtstrahl, der von einer näher gelegenen Region eines Objekts in die Kamera reflektiert wird, besitzt also eine leicht andere Phase als ein Lichtstrahl, der von einer etwas ferner gelegenen Region stammt und ein wenig länger schwingen konnte. In der Phase steckt darum räumliche Information, wie sie für dreidimensionale Bilder benötigt wird. Durch Überlagerung der einfallenden Wellen mit einem phasenstabilen Referenzstrahl bleibt schließlich eine Welle übrig, deren Intensität die Phaseninformation beinhaltet – und genau die wird von einer lichtempfindlichen Schicht festgehalten. Wie daraus umgekehrt wieder ein Bild entsteht, zeigt das Video.

In den letzten Jahren mehren sich die Versuche, Hologramme nach Star-Wars-Vorbild zu gestalten. Eine große Herausforderung ist vor allem die Bildqualität, außerdem sind zur Erzeugung bewegter Hologramme riesige Datenmengen nötig. Erst Ende 2016 berichteten Forscher der Australian National University in einer Studie von einem neuen Nanomaterial, das aus Millionen winziger Silikonsäulen zusammengesetzt ist. Mit seiner Hilfe lassen sich Phase, aber auch Amplitude und Polarisation des eintreffenden Lichts kontrolliert manipulieren (siehe auch den von einem Video begleiteten Beitrag Sci-fi holograms a step closer with ANU invention auf nanotechnologyworld.org).

Die ersten holographischen Bilder, die mit dieser so genannten Metaoberfläche entstanden, messen zwar gerade einmal 0,75 bis fünf Millimeter. Dafür seien sie aber besonders hoch aufgelöst, so die Forscher. Vor allem gehe in dem Material wenig Lichtenergie verloren, sodass die entstehenden Bilder höhere Qualität besitzen. Einen ersten Einblick in die komplexe Funktionsweise von Metaoberflächen gibt ein Fachbeitrag in den Scientific Reports von 2016.

Bis wir ein Hologramm erblicken, das Prinzessin Leias majestätischem Auftritt gerecht wird, wird es trotzdem noch eine ganze Weile dauern. Doch auch andere Anwendungen sind in Aussicht. Wissenschaftlern am Berliner Synchrotron BESSY gelangen jüngst sogar Hologramme, die Strukturen von nur wenigen Nanometern Größe abbilden. Denn die Technik funktioniert nicht nur mit Licht – dessen Wellenlänge die winzigen Objekte gar nicht auflösen könnte –, sondern auch mit Strahlung aus dem Röntgenlaser.