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Metamaterialien haben eine Struktur, die Strahlung auf scheinbar “unmögliche” Weise brechen kann.
imagenavi, Bilder von Getty
Auf den ersten Blick sehen die meisten Metamaterialien unspektakulär aus. Denn auf den ersten Blick sehen sie aus wie normale Kristalle oder glatte Oberflächen. Auch seine 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 so ändern, dass das Licht effektiv zur Umkehr gezwungen wird. Der Strahl wird durch das Material genau entgegengesetzt gebrochen, wie es bei einem normalen Material üblich ist. Das führt zu dem paradoxen Effekt, dass eine konkave Sammellinse aus diesem Metamaterial Licht nicht bündelt, sondern streut. Ein langsamer Diffusor hingegen würde das Licht gruppieren: Die physikalischen Gesetze scheinen sich in ihren Köpfen zu drehen.
Dieser paradoxe Effekt ist möglich, weil diese 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 diese Materialien existieren und herstellbar sein könnten. Da negative Brechungsindizes in der Natur jedoch nicht vorzukommen scheinen, hielt man dies lange für unmöglich. Mittlerweile 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 für unmöglich gehalten wurde, eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten. Vor allem in der Optik werden diese Materialien nun zur Entwicklung neuartiger Linsen und Schirme für Kameras, Mikroskope und 3D-Projektionen verwendet. US-Forscher haben kürzlich ein Kameraobjektiv aus Metamaterial entwickelt, das nur einen halben Millimeter groß ist, aber in Auflösung und Lichtstärke mit einem 500.000-mal größeren klassischen Kameraobjektiv mithalten kann.
Einige Metalllinsen können auch als eine Art Lichttransformator fungieren: Sie wandeln energiearme langwellige Strahlung in kurzwelligere Strahlung um, was ohne Stromversorgung eigentlich unmöglich ist. Möglich wird dies durch einen Resonanzeffekt, der die Strahlungsfrequenz verdoppelt. Und auch Hologramme und Hologrammvideos können mit speziellen Metamaterialien erstellt werden.
Es hängt alles von der Struktur ab
Aber was ist das Geheimnis dieser Fähigkeiten? Das Highlight von Metamaterialien ist ihre Struktur: Sie haben winzige, sich wiederholende Grundeinheiten, die die Übertragung von Licht und anderer Strahlung ähnlich wie ein normaler Kristall beeinflussen. Die geringe Größe und spezielle Form dieser Einheiten ermöglichen es Metamaterialien jedoch, Strahlung auf physikalisch ungewöhnliche Weise zu manipulieren.
Die Größe der Struktur eines Metamaterials 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. Soll das Metamaterial also mit langwelliger Strahlung wie Radar- oder Radiowellen umgehen, können die Zellen mehrere Zentimeter groß sein. Bei sichtbarem Licht hingegen bewegen sie sich im Nanometerbereich.
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Lab Craft: Diese Radiowellen-Metallinse besteht aus 4.000 S-förmigen Kupferhaken.
Das Material: von Silizium bis Kupfer
Auch die Zusammensetzung und Struktur eines Metamaterials kann sehr unterschiedlich sein. Einige dieser Konstruktionen bestehen aus kleinen Röhrchen, Platten oder Säulen, die in Siliziumchips eingebettet sind. Auch eine regelmäßige Anordnung von Rillen oder Löchern oder eine Struktur, die kleinen gestapelten Baumstämmen ähnelt, kann zum Metamaterial werden. Andere Varianten haben kleine Metallsäulen oder Metallverbindungen auf ihrer Oberfläche, deren Geometrie und Abstand die exotischen Effekte der Brechung erzeugen.
Fast ein Kunstwerk ist ein langsames Metamaterial, mit dem Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) Radiowellen manipulieren: Die flache, konkave Konstruktion besteht aus mehr als 4.000 S-förmigen Kupferhaken von jeweils wenigen Millimetern Größe. Diese Grundeinheiten sind so miteinander verbunden, dass sie eine vier Zoll dicke und 25 Zoll breite Linse bilden, die für Mikrowellen und Radiowellen durchlässig ist. Dank seines negativen Brechungsindex kann dieses netzartige Metamaterial Strahlung genauso stark brechen und bündeln wie nur wenige Meter lange Strahlen.
Metamaterial mit Tarnmantel
Metamaterialien können sogar den alten Traum von der Unsichtbarkeitsschicht oder der Unsichtbarkeitsschicht wahr werden lassen. Eingeschränkt funktioniert es bereits, Menschen unsichtbar zu machen: Wissenschaftler haben Unsichtbarkeitsschichten für Mikrowellen, Infrarotlicht und sogar einzelne Bereiche des sichtbaren Lichts entwickelt. Allerdings sind sie ziemlich schwierig zu handhaben und können nur viel kleinere Objekte verstecken als sie: „Sie sehen eher aus wie die Schuppen von Harry Potter als der Umhang von Harry Potter“, sagt John Pendry vom Imperial College London.
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Das ultradünne Metamaterial einer an der University of California in Berkeley entwickelten Tarnschicht ist mit Goldblöcken bedeckt, die das einfallende Licht manipulieren.
Xiang Zhang Group / UC Berkeley
Doch langsam nähert sich eine regelrechte Schicht Harry-Potter-Tarnung: 2015 stellten Forscher der University of California in Berkeley erstmals ein Metamaterial vor, das extrem dünn ist und sogar größere, unregelmäßig geformte Objekte verbergen kann. Das neuartige „Camouflage Fabric“ besteht aus einem nur 80 Nanometer dünnen Metamaterial, das sich wie eine dünne Haut auf darunter liegende Gegenstände kleben lässt. Auf seiner Oberfläche befindet sich eine Nanostruktur aus kleinen Goldblöcken, die das einfallende Licht so manipuliert, dass Unebenheiten verborgen werden.
Allerdings funktioniert die Tarnung dieses Meta-Mantels bisher 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 im gesamten Wellenlängenbereich des Lichts unsichtbar machen können.