Schon wieder Metamaterialien

  • 01. April 2016

Künstliche Nanostrukturen lassen sich am Computer designen und eröffnen der nichtlinearen Optik neue Möglichkeiten.

Ist das Thema wirklich neu? Schon James Clerk Maxwell diskutierte im 19. Jahrhundert Systeme aus abwechselnden Schichten A und B. Diese Laminate verhalten sich anisotrop – auch wenn die Zutaten A und B isotrop sind. 1920 wickelte Karl Lindman aus Kupferdraht kleine helikale Zylinderspulen mit bestimmtem Wicklungssinn, isolierte sie mit Baumwollbällchen und packte Hunderte davon zu künstlichen dreidimensionalen (3D) isotropen Materialien. Mit achiralen Ingredienzien erzeugte er so chirale, also optisch aktive Medien im Mikrowellenbereich. Im Jahr 2000 realisierte ein Team um David Richard Smith für den Mikrowellenbereich Kristalle aus LC-Schwingkreisen, die magnetisch sind – mit unmagnetischen Zutaten. Sind die Schwingkreise viel kleiner als die Resonanzwellenlänge und dicht gepackt, mittelt die Welle darüber und sieht ein effektives Material. Darauf aufbauend setzte das Team später Strukturen um, die eine negative Brechzahl aufweisen, obschon alle Zutaten eine positive Brechzahl haben.

Gemeinsam ist allen genannten Beispielen, dass maßgeschneiderte Komposite, beispielsweise aufgebaut aus zwei konstituierenden Materialien A und B, Eigenschaften haben können, die nicht zwischen denen von A und B liegen. Die künstlichen Materialien sind „meta“, weil ihre Eigenschaften über die der Zutaten qualitativ wie quantitativ deutlich hinausgehen. Aufgrund der Skalierbarkeit der Maxwell-Gleichungen sind diese Ideen von Mikrowellen auf die Optik übertragbar und wegen der Ähnlichkeit der physikalischen Gesetze auch auf die Akustik, Mechanik, den Transport und die Thermodynamik. Wieso nun die Aufregung heute?

Die Grundidee der Metamaterialien ist doch offenbar nicht neu. In den letzten zehn Jahren haben enorme Fortschritte in der Mikro- und Nanostrukturierung die experimentelle Umsetzung entscheidend vorangebracht. Noch viel wichtiger erscheint mir für die Zukunft die gleichsam explodierende Entwicklung des 3D-Druckens. Mit einem 3D-Drucker kann man letztlich an jedem Punkt im Raum entscheiden, ob man ein 3D-Voxel (in Analogie zum 2D-Pixel) drucken möchte oder nicht. Auf der Makroskala erobert dieser Trend gerade den Massenmarkt. 3D-Drucker auf der Mikro- und Nanoskala verbreiten sich zusehends in den Forschungslaboren als High-End-Werkzeuge; eine junge deutsche Firma ist hier Weltmarktführer.

Ein Riesenproblem gibt es aber schon: Heutige 3D-Drucker drucken meist nur ein Material. Auch in der Zukunft wird es kaum möglich sein, Hunderte unterschiedlicher Materialien mit einem Gerät zu drucken. Damit wird es absehbar nicht möglich sein, zum Beispiel ein funktionsfähiges Smartphone inklusive Elektronikbauteile so herzustellen. Mit nur zwei Materialien A und B kann man jedoch viele unterschiedliche 3D-Metamaterialien drucken, die eine enorme Vielfalt effektiver Eigenschaften erlauben. Hierbei kann „Material B“ sogar die Abwesenheit eines Materials, also ein Loch bedeuten. Mit nur wenigen unterschiedlichen Wirtsmaterialien A, B, C, D ... kann man wahrscheinlich durch 3D-Druck die ganze Palette der heute bekannten Materialeigenschaften synthetisieren. Metamaterialien beflügeln das 3D-Drucken – und umgekehrt.

Ein Beispiel aus der Makrowelt ist das 3D-Drucken von Einlegesohlen für Schuhe. Vielleicht gehen wir schon bald ins Schuhgeschäft, lassen unsere Füße einscannen und nehmen die frisch 3D-gedruckten Metamaterial-Einlegesohlen direkt mit. Ein bekannter deutscher Sportartikelhersteller kündigte im Oktober 2015 an, bald 3D-gedruckte Schuhe anzubieten. Der Trend zur Individualisierung von Produkten und der rasende technische Fortschritt beim 3D-Drucken im Zusammenspiel mit der Metamaterial-Idee könnten unser tägliches Leben einmal so verändern wie der Computer es getan hat.

In der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit diskutieren Heike Probst und Thomas Zentgraf von der Universität Paderborn ein aktuelles Beispiel aus der Mikrowelt, nämlich maßgeschneiderte 2D-Metaoberflächen für die nichtlineare Optik. Damit können beispielsweise neuartige, kompakte optische Bauteile realisiert werden.

Martin Wegener, KIT Karlsruhe

Dieser Beitrag kommentiert einen Artikel von Heike Probst und Thomas Zentgraf über maßgeschneiderte 2D-Metaoberflächen für die nichtlineare Optik. Beide Beiträge sind in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen.

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