Digitale Metamaterialien

  • 19. September 2014

Aus nur zwei verschiedenen Bauelementen lassen sich Materialien mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften konstruieren.

Bisher wurden Metamaterialien „analog“ aus einer Vielzahl von unterschiedlich geformten und strukturierten Bauelementen zusammengefügt. Dagegen sollen digitale Metamaterialien aus nur zwei Komponenten bestehen, wie Forscher aus den USA berichten. Diese „Bits“ lassen sich zu „Bytes“ mit neuartigen physikalischen Eigenschaften zusammenfassen, aus denen dann die gewünschten funktionalen Strukturen aufgebaut werden können.

Digitales Metamaterial

Abb: Eine Gradientenlinse aus digitalem Metamaterial, das aus zylindrischen „Bytes“ besteht, fokussiert das Licht. Die Bytes in der Mitte der Linse haben einen Silberkern und brechen das Licht stark, die am Rand der Linse haben einen Kern aus Siliziumdioxid und sind nur schwach lichtbrechend. (Bild: C. Della Giovampaola & N. Engheta / NPG)

Metamaterialien sind künstliche, meist periodische, mikroskopisch feine Strukturen aus elektrischen oder magnetisch wirksamen Materialien, deren Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung von der in der Natur üblichen abweicht. Die Strukturen müssen dabei deutlich kleiner sein als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung.

Cristian Della Giovampaola und Nader Engheta von der University of Pennsylvania in Philadelphia verwenden für ihre digitalen Metamaterialien nur zwei Bauelemente, bestehend aus einem Dielektrikum wie Siliziumdioxid und einem Metall wie Silber. Aus diesen beiden „Bits“ lassen sich dann erstaunliche Dinge aufbauen.

Für zwei Arten von digitalen Metamaterialien berechneten die Forscher die elektromagnetischen Eigenschaften. Das erste Metamaterial besteht aus rechteckigen Stapeln von unterschiedlich dicken SiO2- und Ag-Schichten. Auf eine einfallende Lichtwelle, deren Polarisation senkrecht zu den Schichten ausgerichtet war, wirkt das Metamaterial mit einer Dielektrizitätskonstanten, die weit außerhalb des Bereichs der Dielektrizitätskonstanten der Ausgangsmaterialien liegt. Ähnliches gilt auch für das zweite Metamaterial, das aus winzigen konzentrischen Zylindern besteht, die einen Ag-Kern und einen SiO2-Mantel haben.

Sowohl die quaderförmigen als auch die zylindrischen „Bytes“ beeinflussten die elektromagnetischen Wellen so, als bestünden sie aus einem homogenen Material. Ihre effektive Dielektrizitätskonstante lässt sich über den Silbergehalt der Bytes über einen großen Bereich variieren. Aus diesen Bytes bilden die Forscher unterschiedlich geformte zweidimensionale Linsen. Indem sie außerdem den Silbergehalt der Bytes von deren Position in der Linse abhängig machen, können sie der Linse einen „kontinuierlich“ variierenden effektiven Brechungsindex geben.

Wie die Berechnungen zeigen, beeinflusst jede der untersuchten Linsen aus digitalem Metamaterial die Lichtausbreitung genauso wie eine Linse aus homogenem Material, dessen Brechungsindex dem effektiven Brechungsindex der Metamaterial-Linse entsprach. Die Forscher erwarten, dass sich optische Elemente aus digitalen Metamaterialien einfacher entwerfen und fertigen lassen.

Rainer Scharf

RK

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