Das Thema Metamaterialien ist Wissenschaft vom Feinsten - Forscher versuchen, Materialien mit Eigenschaften herzustellen, die in der Natur nicht existieren und die nicht mit gewöhnlichen Atomen hergestellt werden können.

Metamaterialien besitzen nanoskalige Strukturen und Spezialeffekte, die nur im Labor erzeugt werden können und zu einer Vielzahl interessanter Anwendungen führen können. Beispielsweise haben einige Metamaterialien einen negativen Brechungsindex, was bedeutet, dass sie einfallende Lichtwellen "durch" sich selbst und nicht zurück zur Lichtquelle brechen und als "unsichtbare Umhänge" wirken.

Jetzt machen Forscher vom Imperial College London etwas anderes mit Metamaterialien. In einer kürzlich in Nature Materials veröffentlichten Studie haben Fridrik Magnus et al. Das erste nichtresonante Metamaterial hergestellt, das mit Lichtwellen der Frequenz Null arbeitet. Dieses Ziel unterscheidet sich etwas von den meisten Studien mit Metamaterialien, die sich auf höhere Frequenzen wie Mikrowellen und sichtbares Licht konzentrieren.

Zum einen könnten die Wissenschaftler das Metamaterial als Baustein für einen magnetischen Unsichtbarkeitsmantel verwenden. Ein solcher Umhang könnte den Magnetismus verbergen, indem ein angelegtes Magnetfeld um einen verhüllten Bereich geführt wird.

„Es ist bereits möglich, einen Raumbereich vor Magnetfeldern zu schützen. Es reicht aus, es einfach mit einem stark magnetischen Material zu umgeben “, sagte Co-Autor Ben Wood vom Imperial College London gegenüber PhysOrg.com . "Ein magnetischer Mantel würde jedoch noch weiter gehen - er würde Magnetfelder aus dem inneren Bereich fernhalten, ohne die Felder außerhalb des Mantels zu stören."

Im Nullfrequenzbereich ist die Wellenlänge sehr groß und Magnetismus und Elektrizität werden entkoppelt. Durch diese Entkopplung können sich die Forscher auf die magnetischen Eigenschaften konzentrieren, ohne sich um die elektrischen Gedanken machen zu müssen, wenn sie Geräte wie den Mantel entwerfen.

„Wenn wir sagen, dass unser Material ein Nullfrequenz-Metamaterial ist, meinen wir, dass es sich nur bei sehr niedrigen oder Nullfrequenzen wie beabsichtigt verhält“, erklärte Wood. "Es wird mit Licht bei höheren Frequenzen interagieren, aber nicht in nützlicher Weise."

Das neue Metamaterial besteht aus Schichten gestapelter Gitter, die sich aus 10 x 10 Arrays dünner Bleiplatten zusammensetzen. Eine der bestimmenden Eigenschaften eines Metamaterials ist, dass sein Gitterabstand kleiner sein muss als die Wellenlänge des Lichts, mit dem es interagiert. Für Licht mit der Frequenz Null ist die Wellenlänge groß und divergiert, so dass diese Bedingung leicht erfüllt wird. Die einzelnen Bleiplatten im Design sind 300 Nanometer dick und haben einen Durchmesser von 167 Mikrometern, wobei die Gitter einen Abstand von 100 Mikrometern haben.

Die Forscher legten dann ein Magnetfeld an das Metamaterial an und "drückten" das Feld durch die Lücken zwischen den Bleiplatten. Das Metamaterial zeigte eine diamagnetische Reaktion - eine schwache magnetische Abstoßung. Die Stärke der Abstoßung hing vom Verhältnis zwischen der Größe der Bleiplatten und dem Gitterabstand ab. Für die Wissenschaftler war dieser Zusammenhang von Bedeutung: Sie konnten die magnetischen Eigenschaften des Metamaterials einstellen.

Die Forscher erklären, dass das nichtresonante Metamaterial einige Vorteile gegenüber jenen haben könnte, die aus resonanten Strukturen bestehen und einen negativen Brechungsindex aufweisen. Der negative Brechungsindex ist ein Weg, um eine optische Unsichtbarkeit zu erreichen, geht jedoch zu Lasten einer hohen Verlust- und Frequenzstreuung.

Die Forscher planen, nichtresonante Metamaterialien für andere Zwecke zu verwenden. Zum Beispiel sagt ein Entwurfsparadigma namens Transformationsoptik den Wissenschaftlern, welche Eigenschaften erforderlich sind, um einen bestimmten Effekt zu erzielen. Da diese Eigenschaften immer nicht negative Brechungsindizes aufweisen, können nicht resonante Metamaterialien die erforderlichen Eigenschaften bereitstellen.

"Transformationsoptik ist eine Möglichkeit, Geräte zu entwerfen", erklärte Wood. „Es ermöglicht uns, die Transformation des Lichtraums nachzuahmen und gibt uns ein Rezept für die elektromagnetischen Eigenschaften, die wir benötigen, um einen bestimmten Effekt zu erzielen, wie z. B. das Tarnen. Diese Eigenschaften finden sich jedoch normalerweise nicht in natürlichen Materialien, und hier können Metamaterialien helfen. Sie ermöglichen es uns, die Geräte, die wir entwickeln, mithilfe von Transformationsoptiken herzustellen. “

Weitere Informationen : Magnus, F .; Wood, B .; Moore, J .; Morrison, K .; Perkins, G .; Fyson, J .; Wiltshire, MCK; Caplin, D .; Cohen, LF; und Pendry, JB "A dc magnetic metamaterial". 7. April 2008, S. 295-297.

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