Physik : Der Traum von der Tarnkappe

Indem Physiker Lichtstrahlen umlenken, lassen sie Gegenstände scheinbar verschwinden. Das menschliche Auge ließ sich durch dieses Experiment jedoch nicht täuschen. Noch nicht.

Jan Oliver Löfken
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Elegant vorbei. So wie Wasser runde Steine umströmt, können dank neuer Materialien Lichtstrahlen um Hindernisse gelenkt werden....Foto: ddp

Drachentöter Siegfried tat es, Unterweltgott Hades auch und Zauberlehrling Harry Potter sowieso: Sie alle verbargen sich gern unter Tarnkappen. Physiker stehen nicht im Ruf, sich ernsthaft mit solchen alten und neuen Mythen zu beschäftigen. In ihrer Welt der Experimente, Berechnungen und harten Fakten hatten Tarnkappen nichts verloren. Bislang. Denn seit einigen Jahren geistern erste Theorien durch die Fachwelt. Tarnkappen sollen prinzipiell möglich sein, berichtete im Mai 2006 der theoretische Physiker Sir John Pendry vom Imperial College in London. Nur fünf Monate darauf schafften es die Forscher um David Schurig und David Smith an der amerikanischen Duke-Universität in Durham tatsächlich. Sie ließen einen wenige Zentimeter kleinen Kupferblock verschwinden.

Das menschliche Auge ließ sich durch dieses Experiment jedoch nicht täuschen. Noch nicht. Denn die Tarnkappe der Duke-Forscher funktionierte nicht für sichtbares Licht, sondern nur für Mikrowellen in einem schmalen Frequenzbereich um neun Gigahertz. Aber wie überhaupt? „Die Wellen bewegen sich wie Flusswasser, das um einen glatten Stein herumfließt“, sagt David Schurig, der den Tarnmantel auf Grundlage von Computersimulationen maßgeschneidert hat. Hätte der Mensch nun Augen, die auf Mikrowellen und nicht auf sichtbares Licht reagieren, würde er beim Blick auf den Tarnmantel diesen nicht sehen. Nur die Wellen von den Objekten dahinter würden das Auge erreichen.

Den Stoff, aus denen Tarnkappen bestehen müssten, nennen Physiker Metamaterialien. „Die grundlegende Idee ist es, Materialien aus Strukturen zu schaffen, die kleiner sind als die Wellenlängen des Lichts“, erklärt Vladimir Shalaev von der Purdue-Universität in West Lafayette. Solche Strukturen, auch als „Meta-Atome“ bezeichnet, bestehen aus symmetrisch angeordneten metallischen Inseln, die in regelmäßigen Abständen auf eine nichtleitende Unterlage gesetzt werden. Sie können die Lichtwellen auf Wege bringen, die nach der klassischen Optik unmöglich sind – und somit dem Flusswasser gleich um einen Gegenstand herumführen.

Das wohl schönste Metamaterial schuf erst kürzlich ein Physikerteam von der Universität Karlsruhe: Hunderte von winzigen Spiralen aus Gold ordneten sie auf einer Fläche von wenigen Tausendstel Quadratmillimetern an. Diese Struktur konnte über einen weiten Spektralbereich im Infraroten zwei unterschiedliche Arten von polarisiertem Laserlicht voneinander trennen. Bei diesen Lichtarten sind die Lichtwellen so angeordnet, dass die Punkte maximaler Helligkeit im Uhrzeigersinn beziehungsweise dagegen angeordnet sind. „Mit keinem anderen Material ist dieses optische Kunststück bisher so effektiv gelungen“, berichtet Stefan Linden. Im Prinzip wären diese Spiralen auch für Tarnkappen geeignet. „Aber unser Material ist keine Tarnkappe und das war auch nicht geplant.“

Denn für Tarnkappen müssten viel kürzere Lichtwellen im sichtbaren Spektrum umgeleitet werden. „Und je kürzer die Wellenlänge, desto schwieriger wird es, denn die Strukturen müssen noch kleiner sein“, sagt Linden. Zwar gelang es den Karlsruher Forschern bereits, ein Metamaterial mit winzigen Silberstrukturen zu entwickeln, das die Ausbreitung von roten Lichtwellen beeinflusste. Doch von einem Material, das blaues oder gelbes Licht, ja sogar mehrere Farben gleichermaßen umlenkt, sind die Physiker noch sehr weit entfernt. „Tarnkappen werden weiterhin eher bei Science-Fiction und Fantasy zu finden sein“, glaubt Linden.

Auch wenn Harry-Potter-Fans nun enttäuscht sein mögen, die Physiker sind es keineswegs. Denn Metamaterialien bieten weit mehr Potenzial als die Entwicklung eines Tarnmantels. Nur mit ihnen können Lichtwellen in die „falsche“ Richtung abgelenkt werden. Physiker sprechen von einem „negativen Brechungsindex“. In der Natur lässt sich dagegen nur die positive Lichtbrechung beobachten. Die Ursache für dieses einzigartige optische Phänomen liegt in der besonderen Weise, wie Metamaterialien die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Lichtwellen beeinflussen können.

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„Man lernt die Optik wieder von Anfang an“, sagt Linden. Es sei heute unmöglich, sich alle Anwendungen vorzustellen, die auf Metamaterialien aufbauen könnten, ist sein amerikanischer Kollege David Schurig überzeugt. Effizientere Wege für die Datenleitung mit Licht oder Hyperlinsen für Lichtmikroskope mit Nanometer-Auflösung stehen auf der immer länger werdenden Liste der Ideen. „Mit solchen Linsen ließen sich zehnmal kleinere Objekte betrachten als es bisher möglich ist“, sagt Shalaev. So wären DNS-Moleküle oder Viren, die heute für Beobachtungen im sichtbaren Wellenlängenbereich zu klein sind, unter einem einfachen Lichtmikroskop erkennbar.

Metamaterialien lassen damit alle optischen Anwendungen in einem völlig neuen Licht erscheinen. Flache Hyperlinsen könnten sogar Verluste in der Lichtleitung durch Glasfaserkabel kompensieren und damit den globalen Datentransfer verbessern. Durch elegante Lichtbündelung und Fokussierungen wäre es denkbar, die Stromausbeute von Solarzellen deutlich zu erhöhen. Weitere Chancen für die neuen optischen Materialien gibt es in der Photonik, wo Daten nicht mehr von Elektronen in einem Computerchip, sondern viel schneller mit Lichtteilchen verarbeitet werden. „Metamaterialien gibt es gerade erst seit sieben oder acht Jahren“, fügt Linden hinzu. Keiner könne abschätzen, was sich noch alles mit den ungewöhnlichen Stoffen anfangen ließe.

Auch der Traum von der Tarnkappe wird bei dieser rasanten Entwicklung immer wieder in die Schlagzeilen kommen. Und tatsächlich ist es nicht völlig auszuschließen, dass irgendwann sogar gelbes, grünes und blaues Licht um einen Körper herumgelenkt werden könnte und diesen so nahezu unsichtbar werden ließe.

Aber sollte es tatsächlich gelingen, einen Tarnmantel aus Metamaterialien zu konstruieren, hätte er einen gravierenden Nachteil. Da alle Lichtwellen um ihn herumgelenkt würden, sähe auch niemand unter der Tarnkappe, was um ihn herum passiert. Die modernen Nachfolger von Siegfried, Hades oder Potter stünden schlicht im Dunkeln.

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