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Hyperbolische Metaflächen zeigen negativen Brechungsindex und geringe Strahlungsverluste für sichtbares Licht
Mit neuartigen, hoch symmetrisch strukturierten Metamaterialien können Physiker Lichtwellen um ein Objekt herumleiten. Doch dieser Tarnkappen-Effekt ist nicht der einzige Vorteil solcher optischen Werkstoffe. Um in Zukunft schnellere Prozessoren zu entwickeln, die die Daten per Licht und nicht mehr mit Elektronen verarbeiten, präsentierten nun amerikanische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“ ein sehr dünnes Metamaterial aus Silber, das sie hyperbolische Metafläche nannten. Dieses Material zeigte einen natürlicherweise nicht vorkommenden negativen Brechungsindex für sichtbares Licht. Als vorteilhaft könnten sich auch die sehr geringen Strahlungsverluste erweisen, über die optische Werkstoffe sonst einfallende Lichtwellen schwächen.
„Diese Ergebnisse öffnen die Tür zu integrierten optischen Schaltkreisen mit Metamaterialien“, schreiben Alexander A. High und seine Kollegen von der Harvard University in Cambridge. Für die Produktion ihrer hyperbolischen Metaflächen nutzten sie gängige Strukturierungsverfahren wie die Elektronenstrahl-Lithografie und das Plasma-Ätzen. So konnten sie aus einer hauchdünnen, einkristallinen Schicht aus Silber, die sie zuvor auf Aluminiumoxid deponierten, eine nanostrukturierte Fläche fertigen. Dabei ordneten sie zahlreiche, nur 90 millionstel Millimeter breite Silberwälle parallel zueinander an.
Auf diese Struktur strahlten High und Kollegen sichtbares Licht mit verschiedenen Farben. Oranges Licht mit einer Wellenlänge von 560 Nanometern durchdrang die dünne Silberschicht ohne jede Brechung. Rotes Licht mit längeren Wellenlängen wurde klassisch mit einem positiven Brechungsindex umgelenkt. Bei kurzwelligem Licht (grün, blau) dagegen zeigte die Metafläche einen negativen Brechungsindex: Der Lichtstrahl wurde vom Lot weg gebrochen, obwohl er sich aus einem dünneren Medium (Luft) in ein dichteres Medium (Silberschicht) ausbreitete. Zugleich wurde die Intensität des Lichtstrahls sehr viel weniger geschwächt als in anderen optischen Werkstoffe wie etwa Glas.
Im Unterschied zu bisher in vielen Laboren gefertigten Metamaterialien und Linsen mit negativem Brechungsindex, waren die Silberschichten ausgesprochen dünn. Wegen dieser geringen Ausmaße könnten sie leichter in photonische Chips integriert werden, die in Zukunft digitale Daten mit Licht rasant verarbeiten sollen. High und Kollegen sind davon überzeugt, dass sich ihre hyperbolische Metaflächen in vielen Varianten auch aus anderen Metallen als Silber fertigen lassen. Angepasst an die jeweils genutzte Lichtwellenlänge könnten damit optische Schaltkreise mit extrem geringen Strahlungsverlusten bald Realität werden. Ob die nanostrukturierten Metallschichten auch zu handlicheren oder gar flexiblen Tarnkappen geeignet sind, müssten jedoch erst weitere Versuche zeigen.
