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02.05.09 · 13:15 Uhr

Tarnung im optischen Bereich

Kategorie: Naturwissenschaften·Technik  ·  Kommentare: 9

Da ist es ja noch gar nicht so lange her, da dachte man, das das Tarnen von Objekten gar nicht möglich ist. Aber dann kamen theoretische Ansätze dazu, und wie ich bereits gebloggt habe, konnte 2006 dann auch tatsächlich in einem Experiment ein Gegenstand im Mikrowellenbereich getarnt werden.

Zunächst nochmal: Was meinen wir hier mit "Tarnen"? Das bedeutet, dass man elektromagnetische Wellen geschickt so manipuliert, dass ein Beobachter hinter dem Objekt denken muss, dass es gar nicht da sei. Bei dem 2006er Versuch benutzte man Metamaterialien, die räumlich verteilt sich ändernde elektrische Bedingungen aufweisen und dadurch in der Lage sind, eine auftreffende ebene Welle so umzulenken, dass diese auch hinter dem Objekt wieder eben aussieht - wenn aber ein Objekt im Weg einer ebenen Welle liegt, erwartet der Beobachter dahinter es durch Verformungen der Welle zu detektieren. Beobachtet er nur eine ebene Welle, so kann er nicht feststellen dass ein Objekt im Weg der Welle lag.

Metamaterialien zeichnen sich dadurch aus, durch viele kleinste Elemente aufgebaut zu sein, die nur dann den Eindruck eines homogenen Materials erzeugen, wenn man aus ausreichender Entfernung drauf blickt. Charakteristischerweise haben die Elemente eine Größe im Bereich der Wellenlänge, die sie manipulieren sollen. Mikrowellen haben Wellenlängen zwischen 1 mm und 1 m, und so kann man diese Elemente recht einfach zusammensetzen. Wesentlich interessanter wäre natürlich eine Tarnung im optischen Bereich - allerdings liegen die Wellenlängen hier zwischen 300 und 700 nm, man müsste die Elemente also mittels Nanotechnik fertigen. Über Ideen zur Fertigung solcher Nanoskala-Metamaterialien, die einen negativen Brechungsindex erzeugen, habe ich auch schon mal geschrieben. Jetzt sind aber zwei neue Preprints im arXiV verfügbar (die Paper erscheinen in Nature Materials), die über erfolgreiche Tarnung ganz nahe am optisch sichtbaren Bereich berichten.

Das erste von Lucas H. Gabrielli, Jaime Cardenas, Carl B. Poitras und Michal Lipson aus Cornell funktioniert so, dass der Beobachter denkt, einen flachen Spiegel zu betrachten. In Wahrheit ist der Spiegel aber nicht flach, sondern hat eine durch Nanoskala-Metamaterial getarnte Ausbeulung, die ein Objekt verbergen kann.
Auch das zweite publizierte Ergebnis von Jason Valentine, Jensen Li, Thomas Zentgraf, Guy Bartal und Xiang Zhang aus Berkeley berichtet über einen ähnlichen Ansatz, die beiden Veröffentlichungen unterscheiden sich vor allem in der Art, wie die scheinbar flache, spiegelnde Oberfläche erzeugt wird.
Die Gruppe aus Cornell verwendet kleine Silicon-Nöppelchen von 50 nm Höhe auf einer Oberfläche. Dadurch lässt sich eine große Bandbreite im nahen Infrarot manipulieren - zwischen 1000 und 2000 nm. Die kalifornische Gruppe tarnte ein reflektierendes Material mit einer Silikonoberfläche, die unregelmäßig verteilt Löcher von 110 nm Durchmesser aufweist. Zwar ist die Materialherstellung nocht nicht perfekt, aber man kann mit 58% Effizienz eine Tarnung zwischen 1400 und 1800 nm berichten.

Das Bild (wie immer anklickbar für eine große Version) stammt von der Seite der Gruppe aus Berkeley und zeigt den Vergelich, wie die Wellen ohne und mit Tarnmatter aussehen. Links kann man klar erkennen, wie die eintreffende Welle nach der Reflektion deutlich anders aussieht, weil sie an dem Hügel gestreut wird. Im getarnten Fall sieht sie aber nach der Reflektion aus wie vorher, als ob sie an der flachen Ebene gespiegelt worden wäre.

Dies sind natürlich wieder nur erste Schritte in Richtung einer echten Tarnung, da man hier z.B. immer noch die Oberfläche sieht, nicht dreidimensional tarnen kann, die Effizienz nicht perfekt ist und man noch nicht im sichtbaren Bereich liegt - aber spannend ist die Forschung trotzdem, vor allem auch weil die Forschung an diesen lichtmanipulierenden Materialien auch durchaus andere Einsatzgebiete als die Tarnung hat - z.B. das Lenken von Licht in einen Kollektor zur Energieerzeugung.

 

Autor: Jörg· 9 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: elektrodynamik· materialien· metamaterialien· nanotechnologie· optik· physik· tarnung· wellen