Besser beugen mit Alu

Mit einer optischen Linse, wie man sie von Brillen, Lupen oder Mikroskopen kennt, hat Pavel Belovs Mikrowellenlinse wenig gemein. Die neue Optik besteht aus Dutzenden paralleler Aluminiumstäbe, die je einen Meter lang und in regelmäßigem Abstand angeordnet sind. von Ralf Krauter (New Orleans)

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Klingt simpel, doch das Ergebnis ist bemerkenswert: Durch diese Konstruktion können mithilfe von Mikrowellen viel kleinere Strukturen abgebildet werden, als dies bisher möglich ist. Denn das Gitter aus Metallstäben hebelt den größten Feind jeder detailreichen optischen Abbildung aus: das Beugungslimit.

Der bisher gültige Merksatz besagt, dass unter einem Mikroskop prinzipiell keine Strukturen erkennbar sind, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, mit dem das Objekt beleuchtet wird. Für die Mikrowellenlinse, die der russische Physiker von der Queen Mary University of London entwickelt hat, gilt das nicht mehr. "Wir können Details auflösen, die viel feiner als die Wellenlänge sind", sagt Belov.

Der Wissenschaftler ist Experte für Metamaterialien, Designerwerkstoffe mit optischen Eigenschaften, die es in der Natur so nicht gibt. Metamaterialien haben eine innere Struktur, die darüber entscheidet, wie stark sie elektromagnetische Strahlung ablenken. Damit das funktioniert, muss diese innere Struktur deutlich kleiner sein, als die Wellenlänge des zu beeinflussenden Lichts.

Kaum Absorptionsverluste

Um zu demonstrieren, was seine Linse kann, hat Belov mit ihrer Hilfe ein Foto des Wappens der University of London geschossen. Das Foto des handtellergroßen Kronensymbols wirkt einen Tick unscharf, zeigt aber alle wesentlichen Details. Bemerkenswert ist das deshalb, weil die Mikrowellen, mit denen Belov die Krone belichtet hat, eine Wellenlänge von 35 Zentimetern haben - deutlich größer als das abzubildende Objekt. Mit konventioneller Optik wäre hier aufgrund des Beugungslimits rein gar nichts zu erkennen. Der Dreh für den Durchblick: Die Aluminiumstäbe fangen auch jenen Teil der Mikrowellen auf, die sonst am Objekt hängen bleiben, das sogenannte Nahfeld.

"Das Nahfeld enthält alle Bildinformationen bis hinunter zur Ebene der Atome", sagt John Pendry, Physiker am Imperial College London, "doch normalerweise bleibt es an der Oberfläche der abzubildenden Objekte gefangen." Pendry publizierte 2000 eine Theorie, nach der Verbundwerkstoffe mit speziellen metallischen Strukturen dieses Nahfeld auffangen und abbilden können - und genau das tut Belovs Mikrowellenlinse. Wie ein Schwamm saugen die periodisch angeordneten Alustäbe die Nahfeld-Wellen auf, leiten sie durch die Linse und ermöglichen so ungewohnt scharfe Abbildungen. "Wir können Details von einem Zwanzigstel der Wellenlänge auflösen", sagt Belov. Ein neuer Rekord.

Aber Belovs Linse kann noch mehr: Während andere Metamateriallinsen einen Großteil der einfallenden Wellen schlucken, sind die Absorptionsverluste in Belovs Drahtensemble minimal. Das macht erstmals auch praktische Anwendungen möglich, zum Beispiel hochauflösende Optiken für Mikrowellen-Tomografen. Solche Geräte werden unter anderem benötigt, um Faserverbund-Bauteile zu untersuchen, ohne sie zu zerstören. Mit filigraneren Stäben ließen sich für Mikrowellen sogar Auflösungen von unter einem Tausendstel der Wellenlänge realisieren, sagt Belov: "Es gibt keine fundamentale Grenze mehr, nur noch eine technologische." Er versucht bereits, die Ergebnisse auf andere Lichtfrequenzen zu übertragen. Bestätigen sich seine Erwartungen, wäre das Beugungslimit Geschichte.

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