Metamaterialien
Exotische Manipulation von Strahlung und Schall

Sie können Objekte unsichtbar machen, Strahlung manipulieren und Licht sogar zum Stehen bringen: Metamaterialien besitzen physikalische Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen. Dank ihrer Struktur ermöglichen sie neuartige Effekte und Anwendungen, die über die Grenzen des bisher Machbaren hinausgehen. Was aber steckt dahinter?

Ob ultradünne Linse, Tarnmantel oder Schallschlucker – mit Metamaterialien scheint fast nichts unmöglich. Kein Wunder, dass diese künstlich hergestellten, maßgeschneiderten Strukturen momentan in Forschung und Technik boomen. Doch wo liegt das Geheimnis ihrer exotischen Fähigkeiten? Und welche Anwendungen sind damit möglich?

Was sind Metamaterialien?
„Unmögliche“ Brechung

Auf den ersten Blick sehen die meisten Metamaterialien eher unspektakulär aus. Denn mit bloßem Auge ähneln sie ganz gewöhnlichen Kristallen oder glatten Oberflächen. Auch ihre Zusammensetzung muss keineswegs exotisch sein: Einige bestehen aus Metall, andere aus Silizium oder sogar Plastik. Trotzdem bringen sie Licht und andere elektromagnetische Strahlung zu scheinbar unmöglichem Verhalten.

Manipulation des Lichts

Einige Metamaterialien können beispielsweise die Richtung, Phase und Polarisierung eines Lichtstrahls so verändern, dass das Licht quasi in den Rückwärtsgang gezwungen wird. Der Strahl wird vom Material genau anders herum gebrochen als bei einem normalen Material üblich. Das führt zu dem paradoxen Effekt, dass eine konkave Sammellinse aus diesem Metamaterial das Licht nicht bündelt, sondern zerstreut. Umgekehrt würde eine Streulinse das Licht bündeln – physikalische Gesetze scheinen auf den Kopf gestellt.

Möglich ist dieser paradoxe Effekt, weil solche Metametamaterialien einen negativen Brechungsindex haben. Die Strahlung wird dadurch beim Eintritt in dieses Material nicht zum Lot hin gebrochen, sondern darüber hinaus in die entgegengesetzte Richtung. Lange war die Existenz solcher Materialien nur ein Gedankenspiel, eine theoretische Vorhersage, die der russische Physiker Viktor Veselago im Jahr 1968 aufgestellt hatte. Denn in der Natur scheinen negative Brechungsindizes nicht vorzukommen. Erst in künstlich erzeugten Materialien wurden sie erstmals nachgewiesen.
Unendlich schnelle Phase und stehende Welle

Die Eigenheiten der Metamaterialien bewirken aber noch etwas: Einige von ihnen können Licht unendlich schnell machen und es gleichzeitig stillstehen lassen. Das klingt wie ein Widerspruch zu Einsteins Relativitätstheorie, nach der die Lichtgeschwindigkeit absolut und nicht überschreitbar ist. In diesem Fall geht es aber nicht um die Lichtgeschwindigkeit als Ganzem, sondern um ihre Phasengeschwindigkeit – das Tempo, mit dem sich ein einzelner Wellenberg bewegt. Bei normalem Licht im Vakuum entspricht die Phasengeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit. Die einzelnen Wellen in einem Wellenpaket bewegen sich genauso schnell wie das gesamte Wellenpaket.

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https://www.scinexx.de/dossier/metamaterialien/?fbclid=IwAR0aUni94SOCTOwZbaR5wWqn4JvseeRgy0o4S-hoeZS8czw2anHMta0TF5I