Wer möchte nicht manchmal unter einer Tarnkappe verschwinden? Was für Harry Potter oder Siegfried in der Nibelungensage Standard ist, galt in der wirklichen Welt als unmöglich. Doch nun sind Forscher bei diesem Ziel einen wichtigen Schritt weiter gekommen. Sie haben im Wissenschaftsmagazin „Science Express“ erstmals eine optische Tarnkappe für dreidimensionale Objekte vorgestellt.
Tatsächlich ist das Objekt, das Professor Martin Wegener und sein Team am Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zusammen mit Kollegen vom Imperial College in London scheinbar verschwinden lassen, lediglich eine kleine, ein Tausendstel Millimeter – Mikrometer – hohe Beule in einem dünnen Goldfilm.
„Trotzdem ist das Ergebnis ein großer Fortschritt“, betont der Physiker. „Bisher beruhten Tarnkappen auf Wellenleitern, die praktisch zweidimensional sind. Sobald man jedoch aus der dritten Dimension auf die Struktur schaut, ist die Wirkung dahin.“
Neue Technik macht’s möglich
Den Durchbruch ermöglicht ein Verfahren, das die Wissenschaftler von wenigen Jahren am CFN entwickelt haben: Beim Direkten Laserschreiben (DLS) schreibt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift in alle drei Raumrichtungen.
„Damit produzieren wir 3D-Strukturen mit optischen Eigenschaften, die es in der Natur nicht gibt“, erläutert Wegeners Mitarbeiter Tolga Ergin. Diese Metamaterialien genannten Gebilde sehen wie Holzstapel aus. In der Nähe der kleinen Beule haben sie eine Region, in der sich der Brechungsindex für elektromagnetische Wellen im optischen Bereich kontinuierlich ändert. Dadurch werden Lichtwellen, die das gewölbte Objekt normalerweise seitlich reflektieren würde, so beeinflusst und umgelenkt, dass nur ein gleichförmiges Lichtsignal registriert wird.
„Wir sehen quasi eine glatte Fläche ohne Beule“, so Nicolas Stenger, Mit-Autor der neuen Studie. „Aber die Physik dahinter ist komplex. Die mathematischen Werkzeuge zur Berechnung ähneln denen der Einsteinschen Relativitätstheorie.“
Tarnkappe funktioniert besser als gedacht
Die Messung selbst erfolgt an einem experimentellen Aufbau, der einem gewöhnlichen optischen Mikroskop gleicht. Dabei funktioniert die optische Tarnkappe sogar besser als von den Wissenschaftlern erwartet, denn der Effekt zeigt sich über ein breites Wellenlängenspektrum von 1,5 bis 2,6 Mikrometer. „Das ist nicht der Bereich des sichtbaren Lichts“, räumt Wegener ein. „Diese Wellenlängen im nahen Infrarot sind jedoch für die Telekommunikation bedeutsam.“
Mit ihrer DLS-Technik könnten die Karlsruher prinzipiell auch Metamaterialien herstellen, um ganze Menschen verschwinden zu lassen. „Nur würde die Herstellung extrem lange dauern“, scherzt Wegener. Wichtiger sind ihm die optischen Tarnkappen ohnehin als experimentelles Werkzeug zur Erforschung der so genannten Transformationsoptik. Von ihr erhofft er sich Impulse zur Entwicklung komplexer Komponenten für die Optik und Photonik.
(idw – Karlsruher Institut für Technologie, 22.03.2010 – DLO)
