Metamaterial-Linsen könnten eine disruptive Transformation in optischen Instrumenten auslösen

Kürzlich hat ein Forschungsteam der Harvard-Universität eine flache, papierdünne Kondensatorlinse konstruiert, indem es "Nanobrick"-Strukturen aus Titandioxid (TiO₂) mit einer Höhe von etwa 600 Nanometern gestapelt hat. Diese neue Art von Linse könnte eine revolutionäre Veränderung in optischen Instrumenten mit sich bringen.

Linsen sind unverzichtbare Komponenten in vielen optischen Instrumenten und elektronischen Produkten. Traditionelle Linsen bestehen normalerweise aus Glas; jedoch machen die inherent Volumen und das Gewicht von Glaslinsen die Instrumente oft sperrig – dieses Problem wird noch ausgeprägter, wenn mehrere Linsen erforderlich sind.

Metamaterialien sind seit langem ein zentrales Forschungsthema im Bereich der photonischen Kristalle. Das Wesen von Metamaterialien liegt in ihren Nanostrukturen, deren Größe kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Diese Strukturen können "spielerisch" mit Photonen interagieren, indem sie unterschiedliche Formen, Größen und Anordnungen verwenden: Sie können Photonen nach Bedarf blockieren, absorbieren, verstärken oder brechen.

Bis heute wurden Metamaterialien jedoch nicht weitreichend im Bereich optischer Linsen angewendet. Der Hauptgrund dafür (und auch ein wesentlicher Unterschied zwischen Metamateriallinsen und Glaslinsen) ist, dass Metamaterialien für Licht hochgradig "wellenlängenselektiv" sind. Mit anderen Worten, eine Linse, die für rotes Licht effektiv ist, kann grünes Licht nicht fokussieren und umgekehrt. Darüber hinaus hat sich die Entwicklung von Materialien, die für das sichtbare Lichtspektrum (wahrnehmbar durch das menschliche Auge) geeignet sind, als ziemlich herausfordernd erwiesen. Frühe Metamaterialien waren hauptsächlich siliziumbasierte Oberflächenplasmonmaterialien.

Kürzlich hat ein in der Zeitschrift *Science* veröffentlichtes akademisches Papier gezeigt, dass die praktische Anwendung von Metamaterialien nun in greifbare Nähe rückt. Ein Forschungsteam der Harvard-Universität konstruierte eine flache, papierdünne Sammellinse, indem es "Nanobrick"-Stapel aus Titandioxid (TiO₂) mit einer Höhe von etwa 600 Nanometern anfertigte. Titandioxid wurde hauptsächlich gewählt, weil dieses Material keine signifikante Absorption von sichtbarem Licht zeigt. Diese Metamateriallinse bietet eine effektive Vergrößerung von bis zu 170-fach, und die Auflösung der vergrößerten Bilder ist mit der von herkömmlichen Glaslinsen vergleichbar. Diese neue Art von Linse könnte tatsächlich eine revolutionäre Transformation in optischen Instrumenten mit sich bringen.

Dennoch können Metamaterial-Linsen derzeit nur in Instrumenten eingesetzt werden, die Laser verwenden (eine Art elektromagnetischer Welle mit einer einzigen Wellenlänge). Wenn die Herausforderung, mit zusammengesetzten Wellenlängen umzugehen, eines Tages überwunden wird, werden alle optischen Instrumente einen disruptiven Wandel durchlaufen. Sobald dieser Durchbruch erzielt wird, wird die Größe optischer Linsen erheblich reduziert, ihre Kosten werden drastisch sinken, und unser Verständnis der meisten bestehenden optischen Geräte wird ebenfalls eine disruptive Transformation erfahren.