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Metamaterialien haben eine Struktur, die Strahlung auf scheinbar “unmögliche” Weise brechen kann.
imagenavi, Getty-Bilder
Auf den ersten Blick scheinen die meisten Metamaterialien ziemlich wirkungslos zu sein. Denn mit bloßem Auge sehen sie aus wie gewöhnliche Kristalle oder glatte Oberflächen. Auch ihre Zusammensetzung sollte nicht exotisch sein: Manche bestehen aus Metall, andere aus Silizium oder sogar Kunststoff. Sie bewirken jedoch, dass sich Licht und andere elektromagnetische Strahlung auf scheinbar unmögliche Weise verhalten.
Unmögliche Brechung
Beispielsweise können einige Metamaterialien die Richtung, Phase und Polarisation eines Lichtstrahls auf eine Weise ändern, die das Licht effektiv dazu zwingt, sich umzukehren. Der Strahl wird vom Material genau entgegengesetzt gebrochen, als es bei normalem Material üblich ist. Das führt zu dem paradoxen Effekt, dass die konkave Sammellinse aus diesem Metamaterial das Licht nicht bündelt, sondern streut. Umgekehrt würde eine Streulinse das Licht bündeln – die Gesetze der Physik scheinen auf dem Kopf zu stehen.
Dieser paradoxe Effekt ist möglich, weil solche Metametamaterialien einen negativen Brechungsindex haben. Dadurch wird die Strahlung beim Eintritt in dieses Material nicht senkrecht gebrochen, sondern in die entgegengesetzte Richtung. Der russische Physiker Viktor Veselago sagte 1968 voraus, dass solche Materialien existieren und hergestellt werden könnten. Da negative Brechungsindizes in der Natur jedoch nicht vorzukommen scheinen, galt dies lange Zeit als unmöglich. Inzwischen haben Wissenschaftler aber unzählige verschiedene Metamaterialien entwickelt.
Linsen, Transformatoren und Hologramme
Die Fähigkeit von Metamaterialien, Strahlung und insbesondere Licht auf eine Weise zu manipulieren, die zuvor als unmöglich galt, eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten. Vor allem in der Optik werden diese Materialien nun genutzt, um neuartige Linsen und Displays für Kameras, Mikroskope und 3D-Projektionen zu entwickeln. US-Forscher haben kürzlich ein Kameraobjektiv aus Metamaterial entwickelt, das nur einen halben Millimeter groß ist, aber in Auflösung und Lichtstärke mit einem klassischen Kameraobjektiv um das 500.000-fache zurechtkommt.
Einige Metalllinsen können auch als eine Art Lichttransformator fungieren: Sie wandeln energiearme langwellige Strahlung in kurzwelligere Strahlung um – was ohne Stromversorgung eigentlich nicht möglich ist. Möglich wird dies durch den Resonanzeffekt, der die Frequenz der Strahlung verdoppelt. Und auch Hologramme und holografische Videos können mit speziellen Metamaterialien erstellt werden.
Es hängt alles von der Struktur ab
Aber was ist das Geheimnis dieser Fähigkeiten? Der Schwerpunkt von Metamaterialien liegt auf ihrer Struktur: Sie haben kleine, sich wiederholende Grundeinheiten, die die Übertragung von Licht und anderer Strahlung ähnlich wie ein normaler Kristall beeinflussen. Die geringe Größe und spezielle Form dieser Formationen ermöglichen es Metamaterialien jedoch, Strahlung auf physikalisch ungewöhnliche Weise zu manipulieren.
Wie groß die Struktur des Metamaterials werden kann, hängt von der Wellenlänge der Strahlung ab: Exotische Brechung tritt nur auf, wenn die sich wiederholenden Grundeinheiten kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der einfallenden Strahlung sind. Das heißt, wenn das Metamaterial durch langwellige Strahlung wie Radar oder Radiowellen manipuliert werden muss, können die Zellen mehrere Zentimeter groß werden. Bei sichtbarem Licht hingegen bewegen sie sich im Nanometerbereich.
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Vom Labor hergestellt: Diese Radiowellen-Metalllinse besteht aus 4000 S-förmigen Kupferhaken.
Material: von Silizium bis Kupfer
Auch woraus ein Metamaterial besteht und wie es aufgebaut ist, kann sehr unterschiedlich sein. Einige dieser Konstruktionen bestehen aus kleinen Röhrchen, Plättchen oder Säulen, die in Siliziumchips eingebettet sind. Auch das regelmäßige Stapeln von Schlitzen oder Löchern oder eine Struktur, die kleinen gestapelten Baumstämmen ähnelt, kann zu einem Metamaterial werden. Andere Optionen tragen kleine Säulen aus Metall oder Metallverbindungen auf ihrer Oberfläche, deren Geometrie und Abstand exotische Brechungseffekte erzeugen.
Eine Linse aus Metamaterial, mit der Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) Radiowellen manipulieren, ist fast ein Kunstwerk: Die flache, konkave Struktur besteht aus mehr als 4.000 S-förmigen Kupferhaken, die jeweils nur wenige Millimeter groß sind. Diese Grundeinheiten sind so miteinander verhakt, dass sie eine vier Zentimeter dicke und 25 Zentimeter breite Linse bilden, die für Mikrowellen und Radiowellen durchlässig ist. Aufgrund seines negativen Brechungsindex kann dieses kettenartige Metamaterial Strahlung genauso stark brechen und bündeln wie nur wenige Meter lange Strahlen.
Metamaterial als Tarnmantel
Metamaterialien können sogar den alten Traum von einem unsichtbaren Umhang oder einem unsichtbaren Umhang Wirklichkeit werden lassen. In begrenztem Umfang funktioniert es bereits, Menschen unsichtbar zu machen: Wissenschaftler haben unsichtbare Mäntel für Mikrowellen, Infrarotlicht und sogar einzelne Bereiche des sichtbaren Lichts entwickelt. Allerdings sind sie ziemlich unhandlich und können nur Gegenstände verbergen, die viel kleiner sind als sie selbst. „Sie sehen eher aus wie eine Harry-Potter-Schuppe als wie ein Harry-Potter-Umhang“, erklärt John Pendry vom Imperial College London.
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Das ultradünne Metamaterial eines Tarnumhangs, entwickelt an der University of California, Berkeley, ist mit Goldblöcken bedeckt, die das einfallende Licht manipulieren.
Xiang Zhang Group / UC Berkeley
Doch der echte Harry-Potter-Tarnmantel nähert sich langsam: 2015 stellten Forscher der University of California, Berkeley, erstmals ein Metamaterial vor, das extrem dünn ist und sogar größere, unregelmäßig geformte Objekte verbergen kann. Das neue „Tarntuch“ besteht aus einem Metamaterial mit einer Dicke von nur 80 Nanometern, das an darunter liegenden Gegenständen wie dünnem Leder haften kann. Auf seiner Oberfläche sitzt eine Nanostruktur aus kleinen Goldklötzchen, die das einfallende Licht so manipuliert, dass die Fehlstellen verborgen werden.
Allerdings: Bisher funktioniert die Tarnung dieser Meta-Tarnung nur für eine bestimmte Lichtwellenlänge – in diesem Fall rotes Licht mit einer Wellenlänge von 730 Nanometern. Daher wird es wohl noch lange dauern, bis es Metamaterialien gibt, die ein Objekt oder eine Person über den gesamten Wellenlängenbereich des Lichts unsichtbar machen können.
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