Lichtleitung: Metaoberflächen vor dem Durchbruch

Metaoberflächen aus künstlichen Metamaterialien mit unnatürlichen Lichtleitungs-Eigenschaften sind seit einiger Zeit ein heißes Thema in der Forschung. Nun stehen sie vor dem wirklichen Durchbruch, so US-Forscher im Magazin Science.

„Ich denke, wir wissen jetzt genug, um wirklich Prototypen für manche Anwendungen zu entwickeln“, so Alexander Kildishev, Elektro- und Computertechniker an der Purdue University.

Da Metaoberflächen sehr präzise Kontrolle über Licht ermöglichen, haben sie Potenzial in diversen Bereichen von Solarzellen über Computer und Telekommunikation bis hin zu besseren Mikroskopen.

Flach zum echten Durchbruch
Künstlich gefertigte Metamaterialien haben Eigenschaften, die so in der Natur nicht vorkommen, wie beispielsweise einen Brechungsindex, der kleiner als eins oder sogar negativ ist. Einer breiteren Öffentlichkeit bekannt geworden ist das Konzept, als Forscher die erste Tarnkappe vorgestellt haben (pressetext berichtete: http://pressetext.com/news/20061020017 ) – ein Laborexperiment fernab jeglicher realweltlicher Anwendung.

Inzwischen ist die Forschung weiter fortgeschritten, ein modernes Konzept sind extrem dünne Schichten aus Materialien, die sich auch nicht mehr wie dreidimensionale Strukturen verhalten.

Eben diese Metaoberflächen sind nach Ansicht des Purdue-Teams inzwischen so weit, das man ernsthaft über praktische Anwendungen nachdenken kann. Das liegt auch daran, dass mit den dünnen Schichten bislang große Probleme wie hohe Verluste und die Kosteneffizienz der Herstellung lösbar scheinen. Denn Metaoberflächen sind zu heutigen industriellen Fertigungsmethoden kompatibel. „Wenn wir bestimmte plasmonische Materialien nutzen, können sie in bestehende Halbleiter-Prozesse integriert werden, was sie für die Kommerzialisierung attraktiv macht“, erklärt Kildishev.

Gewaltiges Anwendungspotenzial

Was Metaoberflächen so attraktiv macht, ist aber auch, dass sie auf ein breites Spektrum von Anwendungen zugeschnitten werden könnten. Denkbar sind laut dem Purdue-Team beispielsweise „Hyperlinsen“, die optische Mikroskope zehn Mal leistungsfähiger machen ebenso wie neuartige Lichtgewinnungs-Systeme, durch die Solarzellen deutlich effizienter werden. Die Forscher glauben, dass Metaoberflächen auch mit den atomdünnen Lagen des Kohlenstoff-Wundermaterials Graphen kombiniert werden können – das Ergebnis würde seine optischen Eigenschaften dramatisch verändern, sobald eine Spannung angelegt wird.

Eine große Hoffnung ist auch, dass Metaoberflächen die gezielte Nutzung einzelner Photonen (Lichtteilchen) ermöglicht. Das könnte nicht nur Switching und Rounting in Computern und Telekommunikation wesentlich beschleunigen, sondern auch eine extreme Miniaturisierung optischer Geräte erlauben. Selbst das, wodurch Metamaterialien erstmals außerhalb von Fachkreisen Beachtung erlangt haben, ist laut Purdue-Forschern nicht auszuschließen – eine Tarnkappe.