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13.01.2010

Neue Optik mit Metamaterialien mit negativem Brechungsindex


Eine technologische Vision soll Wirklichkeit werden: Wissenschaftler aus Deutschland, Österreich, Serbien, Italien und Griechenland wollen so genannte Metamaterialien mit negativem Brechungsindex (Negative Index Materials, NIM) für den sichtbaren Spektralbereich herstellen. An dem EU-Projekt mit dem Titel NIM_NIL sind auch Forscher des Leibniz-Instituts für Analytische Wissenschaften (ISAS) am Standort Berlin beteiligt. Als Experten für zerstörungsfreie optische Charakterisierung werden sie die optischen Eigenschaften der neuen Materialien analysieren.

Metamaterialien beflügeln seit Jahrzehnten die Phantasie von Wissenschaftlern, denn sie haben besondere optische Eigenschaften - etwa einen negativen Brechungsindex. Das bedeutet, dass sie elektromagnetische Strahlung (zu der auch das sichtbare Licht gehört) in eine andere Richtung brechen können als alle natürlichen Materialien. Damit sind sie für zahlreiche optische Anwendungen interessant, besonders für die Mikroskopie. "Perfekte" Linsen aus Metamaterialien könnten die Auflösung von Mikroskopen um ein Vielfaches verbessern.

Lange Zeit allerdings existierten solche Metamaterialien nur in der Theorie. Erst in den vergangenen Jahren wurden erste NIMs für langwellige Strahlung hergestellt. Durch die gezielte Anordnung von nanometergroßen Strukturen können sie etwa Mikrowellenstrahlung oder Licht im nahen Infrarotbereich in die gewünschte Richtung brechen.

Ziel des von der PROFACTOR GmbH aus Österreich koordinierten NIM_NIL-Projekts ist es nun, Metamaterialien herzustellen, die in der Lage sind, sichtbares Licht zu brechen. Um sie auch für optische Bauelemente einsetzen zu können, wollen die Wissenschaftler möglichst großflächige NIMs erzeugen. Dazu müssen die beteiligten Forschungsgruppen und Firmen zunächst das Herstellungsverfahren und das Design optimieren. Die nanometergroßen Bauteile, aus denen ein Metamaterial besteht, sollen mittels Nanoimprint-Lithografie (NIL) entstehen. Mit dieser Technik kann man mikroskopisch kleine Strukturen wie mit einem Stempel auf einer großen Fläche aufprägen, so dass das Verfahren auch für die Massenproduktion einsetzbar ist.

Die optische Analyse der präparierten Materialien erfolgt dann hauptsächlich am ISAS - in Kooperation mit der Johannes Keppler Universität in Linz, der Sentech GmbH in Berlin und dem Institute of Physics an der Universität von Belgrad. Dazu müssen Dr. Hinrichs und seine Kollegen ihre optischen Messmethoden und die Auswertungsstrategien an die neuen Materialien anpassen. Sie werden dafür ein speziell vom ISAS entwickeltes Synchrotron-Ellipsometer bei BESSY in Berlin nutzen.

Bei dem ellipsometrischen Verfahren wird linear polarisiertes Licht auf eine Probe - in diesem Fall auf die Oberfläche des Metamaterials - geschickt und das reflektierte Licht untersucht. Aus den veränderten Polarisationseigenschaften wollen die Berliner Wissenschaftler die optischen Eigenschaften der Probe ableiten. "Hierfür sind unsere Ellipsometrie-Verfahren von allen Methoden am besten geeignet", sagt Hinrichs. "Wie gut sie allerdings für die Charakterisierung von Metamaterialien funktionieren, das muss das Projekt noch zeigen." NIM_NIL soll über drei Jahre laufen und wird von der EU mit insgesamt 3,4 Mio. Euro gefördert.

Quelle: Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS)




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