Hauchdünner optischer Tarnmantel

  • 17. September 2015

Nanoantennen lassen hügelige Oberflächen eben erscheinen.

Die aus Märchen und Sagen bekannten Tarnkappen, die ihre Träger unsichtbar machen, versucht man neuerdings mit Metamaterialien zu verwirklichen. Solche – wenn auch noch unvollkommene – Tarnkappen gibt es inzwischen für Licht, Schall- und Erdbeben­wellen sowie für Wärme­strömungen. Jetzt wurde ein nanometer­dünner Tarnmantel entwickelt, der an eine hügelige Oberfläche geschmiegt diese völlig eben erscheinen lässt.

Die unterschiedlich großen rechteckigen Nanoantennen des Tarnmantels reflektieren das einfallende Licht jeweils mit einer solchen Intensität und Phase, als käme es von einer ebenen Oberfläche. (X. Ni et al., AAAS)

Abb.: Die unterschiedlich großen rechteckigen Nanoantennen des Tarnmantels reflektieren das einfallende Licht jeweils mit einer solchen Intensität und Phase, als käme es von einer ebenen Oberfläche. (X. Ni et al., AAAS)

Bisher gibt es zwei Arten von Tarnkappen, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. Bei der einen werden Licht- oder andere Wellen in einem voluminösen Metamaterial so um einen Hohlraum herum­geführt, dass dieser keinen Einfluss auf die auslaufenden Wellen hat. Alles was sich im Hohlraum befindet, ist deshalb „unsichtbar“. Die andere Tarn­kappenart macht einen Gegenstand unsichtbar, indem sie die von ihm gestreuten Wellen mit Hilfe einer Anordnung von Resonatoren auslöscht.

Nach einem ganz anderen Prinzip arbeitet der optische Tarnmantel, den Forscher um Xiang Zhang von der University of California in Berkeley entwickelt haben. Der Mantel ist nur 80 nm dick und schmiegt sich an das auf einer ebenen Unterlage sitzende Objekt, das unsichtbar gemacht werden soll. Er verändert die Intensität und Phase des vom Objekt reflekt­ierten Lichtes so, als wäre es von einer ebenen Fläche zurück­geworfen worden. Selbst wenn man dann das Objekt aus unterschied­lichen Blickwinkeln betrachtet, bleibt es unsichtbar.

Das Objekt, das die Forscher verschwinden ließen, war eine mehrere Mikro­meter große „Landschaft“ mit Hügeln und Mulden, die sie mit Ionen­strahlen aus einer Silizium­unterlage gefräst hatten. Dann beschich­teten sie die hügelige Oberfläche mit Gold und vermaßen sie mit einem Raster­kraft­mikroskop. Schließlich wurde der Oberfläche der Tarnmantel übergelegt. Er bestand aus einer 50 nm dicken dielektrischen Schicht und einer Lage von 30 nm dicken, rechteckigen Gold­nano­antennen, die einheit­lich ausgerichtet waren und sechs verschiedene Größen und Formen hatten.

Bestrahlte man die gold­beschich­tete Oberfläche mit rotem Licht von 730 nm Wellenlänge, so wurden in ihr Plasma­schwingungen oder Plasmonen angeregt. Daraufhin strahlten die Nano­antennen rotes Licht zurück. Die Forscher wählten lokal je nach der dortigen Form der Oberfläche einen der sechs Antennentypen, die das gleiche Reflexions­vermögen (84 %) hatten, aber dem reflektierten Licht unterschiedliche Phasen gaben. So ließ sich erreichen, dass die hügelige Oberfläche Licht mit konstanter Helligkeit und ebenen Phasenfronten zurückwarf, wie es normaler­weise nur eine ebene Oberfläche macht.

Für Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung lässt der Tarnmantel die Oberflächenstruktur verschwinden: Intensität (links oben) und Phase des reflektierten Lichts (links unten). Für die dazu senkrechte Polarisationsrichtung ist die Oberflächenstruktur sichtbar (rechts; Bild: X. Ni et al., AAAS)

Abb.: Für Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung lässt der Tarnmantel die Oberflächenstruktur verschwinden: Intensität (links oben) und Phase des reflektierten Lichts (links unten). Für die dazu senkrechte Polarisationsrichtung ist die Oberflächenstruktur sichtbar (rechts; Bild: X. Ni et al., AAAS)

Wegen der einheitlichen Ausrichtung der rechteckigen Antennen funktionierte der Tarnmantel nur bei Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Pola­risations­richtung. Im reflek­tierten Licht war die Hügel­landschaft dann nicht mehr zu sehen. Und auch das Phasen­profil des reflektierten Lichtes, das die Forscher mit einem Mach-Zehnder-Inter­ferometer aufnahmen, zeigte keine Spur der Oberflächen­uneben­heiten. Das traf auch noch zu wenn der Einfalls­winkel des Lichtes um 30 Grad variiert wurde.

Wurde hingegen die Polarisationsrichtung des Lichtes um 90 Grad gedreht, so war die Hügellandschaft anhand der Intensitäts- und Phasen­verteilung des reflektierten Lichtes deutlich zu erkennen. Diese Abhängigkeit des Tarnmantels von der Polar­isations­richtung hatten die Forscher mit Bedacht gewählt, um ihn auf einfache Weise an- und abschalten zu können und damit einen direkten Vergleich zu ermöglichen.

Indem man die Antennen symmetrisch macht oder ihnen eine statis­tische Ausrichtung gibt, erhielte man einen Tarnmantel, der unabhängig von der Pola­risations­richtung des Lichtes funktioniert. Mit einem flexiblen Mantel mit adaptiven Nano­antennen, die ihre optischen Eigen­schaften aktiv oder passiv einstellen können, ließen sich nahezu beliebige Gegen­stände unsichtbar machen.

Rainer Scharf

OD

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