Wiener Forscher stricken mit Verlust und Verstärkung eine Tarnkappe

13. September 2017 - 11:40

In geeigneten Materialien lassen sich Lichtwellen verstärken oder abschwächen. Mit präziser Abstimmung von Verlust und Verstärkung haben Wiener Physiker nun das Strickmuster für eine Tarnkappe entworfen. Ihr theoretisches Konzept ermöglicht es, ein spezielles Material so zu bestrahlen, dass ein seitlich ankommender Lichtstrahl ungestört passieren kann und das Material somit unsichtbar wird.

Einfallender Lichtstrahl in alle Richtungen gestreut

Einfallender Lichtstrahl in alle Richtungen gestreut

Materialien sind undurchsichtig, wenn Lichtwellen an der Oberfläche reflektiert bzw. im Inneren unzählige Male chaotisch gestreut und absorbiert werden. Weltweit arbeiten Wissenschafter an verschiedenen Tarnkappen-Methoden, die Gegenstände unsichtbar machen sollen. Die meisten Ansätze nutzen künstliche Meta-Materialien mit negativem Brechungsindex, die Licht um ein Objekt herumleiten können und es damit unsichtbar machen.

Wissenschafter vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien gehen gemeinsam mit Kollegen aus Griechenland und den USA einen völlig anderen Weg. In ihrem im Fachjournal "Light: Science & Applications" veröffentlichten theoretischen Konzept wird eine Welle auf ihrem Weg durch ein spezielles Material durch exaktes örtliches Verstärken oder Abschwächen akribisch "repariert". So kann die Welle auf geradem Weg durch das Objekt steuern, als wäre dieses gar nicht da.

Für verschiedene Wellenarten geeignet

"Dieses Konzept eignet sich für verschiedene Wellenarten, für Licht ebenso wie für Schall", erklärte Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik gegenüber der APA. Experimente an der Eidgenössisch Technischen Hochschule Lausanne (EPFL), in denen das Konzept mit Schallwellen gerade umgesetzt wird, seien vielversprechend. Aufgrund der vergleichsweise großen Wellenlänge von Schall könne man mit Hilfe von Lautsprechern und Mikrofonen Verlust und Verstärkung beliebig einstellen.

Für Licht könnte das Konzept mit Hilfe von optisch aktiven Materialien realisiert werden, wie sie bereits für die Herstellung von Lasern eingesetzt werden. Diese Materialien können durch Bestrahlung von außen das Licht im Inneren des Lasers verstärken und ihn damit zum Leuchten bringen. Der entscheidende Trick, damit ein Lichtstrahl ein undurchsichtiges Material ungehindert durchdringen kann, ist "dem Material punktgenau Energie zuzuführen und an anderen Stellen Absorption zu erlauben", so Konstantinos Makris von der Universität Kreta, der früher in Rotters Arbeitsgruppe tätig war, in einer Aussendung.

Streuung ausgeschaltet

Die Wissenschafter haben nun eine Methode entwickelt, um für ein beliebiges Objekt mit komplett ungeordnetem Brechungsindex genau das richtige Punktmuster zu errechnen, das notwendig ist, um diese örtliche Abschwächung und Verstärkung zu erreichen. Passt dieses Muster exakt zu den inneren Strukturen im Material, an denen es zur Streuung kommt, kann durch von oben aufgestrahltes Licht die Streuung ausgeschaltet werden. Ein seitlich kommender Lichtstrahl von einer bestimmten Wellenlänge kann damit völlig ungehindert und verlustfrei durch das Material dringen - es wird durchsichtig.

"Die Herausforderung ist, Verlust und Verstärkung auf einer sehr kleinen Skala - in der Größenordnung der Wellenlänge - räumlich zu strukturieren", sagte Rotter. Dass das möglich ist und die Methode funktioniert, konnten die Forscher mit Computersimulationen bereits zeigen.

Ob die Methode auch für ein breitbandiges Wellenspektrum wie sichtbares Licht anwendbar ist, werde die Zukunft zeigen. Theoretisch stünde dem jedenfalls nichts im Wege, verweist Rotter auf Lichtmodulatoren wie sie in Videobeamern verwendet werden. Deren Schnelligkeit und Pixeldichte nehme exponentiell zu, sodass es durchaus vorstellbar sei, damit in Zukunft die für eine Tarnkappe benötigten sehr komplexen Lichtfelder herzustellen.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/lsa.2017.35



(APA/red, Foto: APA/TU Wien)