Man muss nur einen geraden Stab ins Wasser halten, um den Effekt zu sehen: An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft ändert das Licht seine Richtung, der Stab sieht aus, als wäre er an der Wasseroberfläche geknickt. Wie stark geknickt der Stab erscheint, wird durch die Brechungszahl (oder Brechungsindex) beschrieben. Seit Jahren versucht man, spezielle Materialien mit negativer Brechungszahl herzustellen - sie verhalten sich optisch ganz anders, als wir das gewohnt sind. An der TU Wien wurde nun gezeigt: Selbst ganz gewöhnliche Metalle können eine negative Brechzahl haben, wenn man sie in ein Magnetfeld steckt.

Verkehrte Lichtbrechung für neuartige Linsen
Wenn man mit dem Auto an der Grenze zwischen Asphaltstraße und Schnee fährt, kann es passieren, dass sich die Räder am Asphalt schneller vorwärtsbewegen als die Räder am Schnee. Damit ändert sich die Fahrtrichtung und man kommt ins Schleudern. Etwas Ähnliches geschieht mit Lichtstrahlen, die an eine Grenzfläche zwischen zwei Materialien stoßen, in denen sich das Licht unterschiedlich schnell bewegt – etwa Luft und Glas. „Die Brechzahl gibt an, wie stark das Licht abgelenkt wird. Typischerweise liegt sie bei 1 – wie im Vakuum oder Luft - oder darüber – wie in meisten transparenten Substanzen“, erklärt Professor Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Allerdings wird schon seit Jahren spekuliert, welche neuen Eigenschaften Materialien haben könnten, deren Brechungszahl negativ ist. Beim Übergang in ein solches Material würde das Licht gewissermaßen den Rückwärtsgang einlegen und genau andersherum gebrochen werden, als das normalerweise geschieht. Das könnte, so vermutet man, ganz neue optische Effekte und Technologien ermöglichen.

Metall knickt Lichtstrahlen
Bisher wurde angenommen, dass man solche Effekte nur in sogenannten Meta-Materialien finden kann. Solche Materialien werden aus speziellen feinen Strukturen hergestellt, die das Licht auf mikroskopischer Ebene in der gewünschten Weise streuen. An der TU Wien stellte sich aber nun heraus, dass man mit einfachen Tricks sogar in ganz normalen Metallen wie Kobalt oder Eisen einen negativen Brechungsindex beobachten kann. „Wir setzen das Metall einem starken Magnetfeld aus und bestrahlen es mit Licht, dessen Wellenlänge genau zur Stärke des Magnetfeldes passt“, erklärt Andrei Pimenov. Verwendet wird Mikrowellenstrahlung, die eine dünne Metallfolie teilweise durchdringen kann. Durch magnetische Resonanz-Effekte im Metall wird das Licht dann an der Grenzfläche dramatisch abgelenkt und bewegt sich innerhalb des Materials in die Gegenrichtung - so ähnlich als wäre im Inneren des Metalls ein Spiegel eingebaut.

Die perfekte Linse
Besondere Aufmerksamkeit haben Materialien mit negativem Brechungsindex in den letzten Jahren auf sich gezogen, weil ihr seltsames Verhalten ganz neue optische Linsen ermöglichen könnte. Das Auflösungsvermögen von gewöhnlichen Linsen ist durch die verwendete Wellenlänge beschränkt: Mit meterlangen Radarwellen kann man keinen Schmetterling fotografieren, mit sichtbarem Licht lässt sich kein Atom abbilden. „Mit einem Material, das eine negative Brechungszahl aufweist, könnte man theoretisch jedoch eine beliebig gute Auflösung erzielen“, erklärt Andrei Pimenov. Simple Metalle dafür verwenden zu können ist viel einfacher als komplizierte Meta-Materialien aufbauen zu müssen. Um richtige Linsen bauen zu können, müssen nun allerdings noch Methoden gefunden werden, die die Abschwächung des Lichtstrahls durch Absorption ausgleichen.

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Originalpublikation: Engelbrecht et al., EPL 96, 3 (2011). <link http: epljournal.edpsciences.org>

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Rückfragehinweis:
Prof. Andrei Pimenov
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-137 23
andrei.pimenov(at)tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner(at)tuwien.ac.at

Materials & Matter ist – neben Computational Science & Engineering, Quantum Physics & Quantum Technologies, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Geforscht wird von der Nanowelt bis hin zur Entwicklung neuer Werkstoffe für großvolumige Anwendungen. Die Forschenden arbeiten sowohl theoretisch, beispielsweise an mathematischen Modellen im Computer, wie auch experimentell an der Entwicklung und Erprobung innovativer Materialien.