Forschung – Metamaterialien

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien mit Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen. Diese zusammengestellten Strukturen ermöglichen die Kontrolle der internen Eigenschaften, d.h. die Permittivität ε und die Permeabilität μ, so dass eine Vielzahl möglicher neuartiger Anwendungen wie negative Brechung oder Tarnkappen entstehen können. In den letzten Jahren haben die Negativ-Index-Metamaterialien (NIM), die einen negativen Brechungsindex n aus ε < 0 und μ < 0 besitzen, das Interesse der Forscher geweckt. Der Grund dafür ist die viel versprechende Anwendung der perfekten Superlinse. Die Grundidee, eine negative Permeabilität zu erzielen, ist die Erzeugung einer magnetischen Resonanz durch die Anregung von Kreisströmen, während eine negative Permittivität durch Metalldrähte bei Frequenzen bis zur Plasma-Frequenz hervorgerufen wird. Dieses Konzept wurde zuerst von Smith et al. mittels Spaltring-Resonatoren und metallischer Drähte und danach von Dolling et al. mittels Draht-paare konkretisiert. Eine andere NIM-Struktur, das so genannte Fischnetz, wurde auch im selben Jahr von Zhang et al. vorgestellt und ein besseres Verhalten aufgrund der kombinierten elektromagnetischen Antwort der Metalldrähte und der Dielektrika gezeigt.

Am Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT) werden solche NIM bei einer Frequenz von 40 GHz entworfen, simuliert und vermessen, mit dem Ziel eine leistungsfähige Superlinse zu bauen, die die beugungsbegrenzte Auflösung der herkömmlichen Linse übertreffen kann. Die Voraussetzungen dafür sind hohe Transmission, niedrige Reflexion, Polarisations- und Winkelunabhängigkeit und ein negativer Brechungsindex von -1.

Die Untersuchung der Fischnetzstrukturen bei 40 GHz stellt einen Zwischenschritt für eine zukünftige Realisierung im in der Europäischen Union neulich vergebenen Frequenzband 77 GHz - 81 GHz dar, während in der Optik große Fortschritte in der Mikroskopie und Lithographie erzielt werden können, wenn die Dimensionen entsprechend herunterskaliert werden.

Hergestelltes Negativ-Index-Metamaterial am INT.

Vergleich zwischen Simulation und Messung vom Transmissionsspektrum und vom Brechungsindex des entworfenen Negativ-Index-Metamaterials.