Neue Metamaterialien: Licht im Griff

Die Fülle an Berichten über „Metamaterialien“ (in Anführungszeichen, weil die Definition zu verschwimmen beginnt) lässt uns sie fast als Allheilmittel für alle Probleme, Schmerzen und Einschränkungen betrachten, mit denen die moderne Welt der Technologie konfrontiert ist. Zu den interessantesten Konzepten gehören in letzter Zeit optisches Computing und virtuelle Realität.

gegenüber hypothetische Computer der ZukunftBeispiele hierfür sind Studien von Spezialisten der israelischen TAU-Universität in Tel Aviv. Sie entwerfen mehrschichtige Nanomaterialien, die die Entwicklung optischer Computer ermöglichen. Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts wiederum haben aus einer Milliarde Miniaturmagneten einen dreiphasigen Stoff gebaut simulieren drei Aggregatzustände, analog zu Wasser.

Wofür kann man das nutzen? Die Israelis wollen bauen. Die Schweizer sprechen über Datenübertragung und -aufzeichnung und Spintronik im Allgemeinen.

Dreiphasiges Metamaterial aus Minimagneten, das die drei Zustände von Wasser simuliert.

Photonen auf Anfrage

Forschungen von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory des Energieministeriums könnten zur Entwicklung optischer Computer auf Basis von Metamaterialien führen. Sie schlagen vor, eine Art Laserrahmen zu schaffen, der bestimmte Atompakete an einem bestimmten Ort einfangen kann, wodurch ein streng konzipierter, kontrollierter Raum entsteht lichtbasierte Struktur. Es ähnelt natürlichen Kristallen. Mit einem Unterschied: Es ist nahezu perfekt; bei natürlichen Materialien sind keine Mängel zu beobachten.

Wissenschaftler glauben, dass sie nicht nur die Position von Atomgruppen in ihrem „Lichtkristall“ genau steuern können, sondern auch das Verhalten einzelner Atome mithilfe eines anderen Lasers (nahes Infrarot) aktiv beeinflussen können. Sie zwingen sie beispielsweise dazu, bei Bedarf eine bestimmte Energie auszusenden – sogar ein einzelnes Photon, das, wenn es von einer Stelle im Kristall entfernt wird, ein an einer anderen Stelle gefangenes Atom beeinflussen kann. Es wird eine Art einfacher Informationsaustausch sein.

Die Fähigkeit, ein Photon schnell und kontrolliert freizusetzen und verlustarm von einem Atom auf ein anderes zu übertragen, ist ein wichtiger Informationsverarbeitungsschritt für Quantencomputing. Man kann sich vorstellen, ganze Arrays kontrollierter Photonen zu verwenden, um sehr komplexe Berechnungen durchzuführen – viel schneller als mit modernen Computern. Auch in einem künstlichen Kristall eingebettete Atome könnten von einem Ort zum anderen springen. In diesem Fall würden sie selbst zu Informationsträgern in einem Quantencomputer oder könnten einen Quantensensor erzeugen.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Rubidiumatome für ihre Zwecke ideal sind. Aber auch Barium-, Kalzium- oder Cäsiumatome können von einem künstlichen Laserkristall eingefangen werden, da sie ähnliche Energieniveaus haben. Um das vorgeschlagene Metamaterial in einem echten Experiment herzustellen, müsste das Forschungsteam mehrere Atome in einem künstlichen Kristallgitter einfangen und sie dort halten, selbst wenn sie in höhere Energiezustände angeregt werden.

Virtuelle Realität ohne optische Mängel

Metamaterialien könnten auch in einem anderen sich entwickelnden Technologiebereich nützliche Anwendungen finden – . Die virtuelle Realität weist viele verschiedene Einschränkungen auf. Dabei spielen die uns bekannten Unvollkommenheiten der Optik eine wesentliche Rolle. Es ist fast unmöglich, ein perfektes optisches System zu bauen, da es immer zu sogenannten Aberrationen kommt, d. h. Wellenverzerrungen, die durch verschiedene Faktoren verursacht werden. Wir sind uns der sphärischen und chromatischen Aberrationen, Astigmatismus, Koma und vielen, vielen anderen negativen Auswirkungen der Optik bewusst. Jeder, der Virtual-Reality-Sets verwendet hat, hat sich wahrscheinlich mit diesen Phänomenen befasst. Es ist unmöglich, VR-Optiken zu entwickeln, die leicht sind, qualitativ hochwertige Bilder erzeugen, keine sichtbaren Regenbogen (chromatische Aberrationen) aufweisen, ein großes Sichtfeld haben und billig sind. Das darf doch nicht wahr sein.

Aus diesem Grund verwenden VR-Gerätehersteller – Oculus und HTC – sogenannte Fresnel-Linsen. Dadurch können Sie deutlich weniger Gewicht erzielen, chromatische Aberrationen eliminieren und einen relativ niedrigen Preis erzielen (das Material für die Herstellung solcher Linsen ist billig). Leider verursachen lichtbrechende Ringe W Fresnellinsen ein erheblicher Kontrastabfall und die Entstehung eines zentrifugalen Leuchtens, das besonders dort auffällt, wo die Szene einen hohen Kontrast aufweist (schwarzer Hintergrund).

Kürzlich gelang es jedoch Wissenschaftlern der Harvard University unter der Leitung von Federico Capasso, sich zu entwickeln dünne und flache Linse unter Verwendung von Metamaterialien. Die Nanostrukturschicht auf Glas ist dünner als ein menschliches Haar (0,002 mm). Es weist nicht nur die typischen Nachteile auf, sondern bietet auch eine deutlich bessere Bildqualität als teure optische Systeme.

Die Capasso-Linse verändert im Gegensatz zu typischen konvexen Linsen, die Licht biegen und streuen, die Eigenschaften der Lichtwelle aufgrund mikroskopischer Strukturen, die aus der Oberfläche hervorstehen und sich auf Quarzglas ablagern. Jeder dieser Vorsprünge bricht das Licht unterschiedlich und ändert seine Richtung. Daher ist es wichtig, eine solche Nanostruktur (Muster), die am Computer entworfen und mit computerprozessorähnlichen Methoden hergestellt wird, richtig zu verteilen. Dies bedeutet, dass dieser Linsentyp mit bekannten Verfahren in denselben Fabriken wie bisher hergestellt werden kann. Zum Sprühen wird Titandioxid verwendet.

Erwähnenswert ist eine weitere innovative Lösung der „Metaoptik“. Metamaterial-Hyperlinsen, hergestellt an der American University in Buffalo. Die ersten Versionen von Hyperlinsen bestanden aus Silber und einem dielektrischen Material, funktionierten jedoch nur in einem sehr engen Wellenlängenbereich. Die Buffalo-Wissenschaftler verwendeten eine konzentrische Anordnung von Goldstäben in einem thermoplastischen Gehäuse. Es arbeitet im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts. Die durch die neue Lösung erzielte Auflösungssteigerung veranschaulichen die Forscher am Beispiel eines medizinischen Endoskops. Typischerweise erkennt es Objekte mit einer Größe von bis zu 10 Nanometern und nach der Installation von Hyperlinsen „sinkt“ es auf 250 Nanometer. Das Design überwindet das Problem der Beugung, ein Phänomen, das die Auflösung optischer Systeme erheblich verringert – statt Wellenverzerrungen werden sie in Wellen umgewandelt, die in nachfolgenden optischen Geräten aufgezeichnet werden können.

Laut einer Veröffentlichung in Nature Communications kann diese Methode in vielen Bereichen eingesetzt werden, von der Medizin bis zur Beobachtung einzelner Moleküle. Es ist angebracht, auf bestimmte Geräte zu warten, die auf Metamaterialien basieren. Vielleicht ermöglichen sie, dass die virtuelle Realität endlich ein echter Erfolg wird. Was „optische Computer“ betrifft, so sind dies immer noch eher ferne und vage Aussichten. Es kann jedoch nichts ausgeschlossen werden...