Ultraflache Meta-Linse 20.03.2013, 12:46 Uhr

2.000 Mal dünner als ein menschliches Haar

Die weltweit erste ultraflache bipolare Meta-Linse kann sichtbares Licht gezielt beeinflussen. Gemeinsam haben Forscher der Universitäten Paderborn und Birmingham diese Linse entwickelt, die 2.000-mal dünner ist als ein menschliches Haar.

Professor Dr. Thomas Zentgraf (stehend) und Doktorand Holger Mühlenbernd sind maßgeblich an der Entwicklung der Meta-Linse beteiligt. Das Foto zeigt sie im Reinraum des Optoelektronik-Gebäudes der Universität Paderborn.

Professor Dr. Thomas Zentgraf (stehend) und Doktorand Holger Mühlenbernd sind maßgeblich an der Entwicklung der Meta-Linse beteiligt. Das Foto zeigt sie im Reinraum des Optoelektronik-Gebäudes der Universität Paderborn.

Foto: Universität Paderborn

Das so genannte Metamaterial dieser Linse besteht aus Glas und Gold. Die künstlich hergestellte mikroskopisch feine Struktur ist nur 20 bis 30 Nanometer dick. Die Meta-Linse vergrößert oder verkleinert Objekte in Abhängigkeit zur Art des einfallenden Lichts (Polarisationszustand). „Die Meta-Linse zeigt, welches Potenzial mit neuartigen optischen Materialien erschlossen werden kann, um Licht sehr effektiv gezielt zu beeinflussen“, sagt Thomas Zentgraf, Leiter der Paderborner Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“. Die Innovation eröffnet laut Zentgraf „flexible neue Möglichkeiten zur Erzeugung spezieller Materialeigenschaften, da die Strukturierung der Oberfläche beliebig verändert werden kann“.

Eine weitere Eigenschaft des Metamaterials ist seine Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder, die in der Natur nicht vorkommen. Mikroskopisch feine Zellen oder Einzelelemente werden aus elektrischen oder magnetisch wirksamen Materialien in ihrem Inneren künstlich hergestellt.

Auf einem Glasträger werden mittels Elektronenstrahllithografie 100 bis 200 Nanometer lange Goldstäbchen erzeugt. Sie sorgen in der Meta-Linse dafür, dass das auftreffende Licht unterschiedlich beeinflusst wird. Dabei ist die Ausrichtung der Stäbchen entscheidend, so wie auch Antennen den Empfang bestimmen können. Die Goldstäbchen in der Linse werden auf die Wellenlänge des Lichts abgestimmt und müssen daher besonders kleine Strukturen auf der Linse haben.

Wirkung wie Streu- oder Sammellinse

Je nachdem, ob rechts oder links zirkular polarisierendes Licht auf den Lichtstrahl trifft, wirkt die Meta-Linse entweder fokussierend oder defokussierend. Diese Eigenschaft lässt sich durch eine Veränderung des Schwingungszustandes des Lichts beeinflussen. Bei einer klassischen Linse sind die Eigenschaften vorgegeben. 

Da die Größe der Goldstäbchen in der Linse jeweils auf die Farbe, also die Wellenlänge des verwendeten Lichts abgestimmt sein muss, sind die Strukturen auf der Linse entsprechend klein. „Wir haben am Ende des Spektrums des sichtbaren Lichts bei etwa 700 Nanometern getestet“, so Thomas Zentgraf: „Hier bewegen wir uns an der Grenze des zur Zeit technisch Machbaren mit der Elektronenstrahllithografie, aber auch das wird sich entwickeln.“

Einsatzgebiete für die neue Meta-Linse sehen die Forscher in der Bio-Physik. Als optische Pinzette beispielsweise, wo sie ein spezielles Lichtstrahlprofil erzeugt, mit dem Objekte gefangen und festgehalten werden könnten. Auch für die Nutzung in der Photonik bei optischen Schaltkreisen und Leuchtdioden eignet sich die Linse aufgrund ihrer flachen Form. Und für zukünftige Entwicklungen eines Quantencomputers könnte die Linse die Funktionsweise der Transistoren übernehmen, wenn sie quasi als „Licht-Schalter“ eingesetzt wird.

Von Petra Funk

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