Ein neuartiges Verfahren kann künstliche Materialien durchsichtig oder sogar unsichtbar machen

Der Weltraum, die letzte Grenze. Das Raumschiff Enterprise verfolgt seine Mission, die Galaxie zu erkunden, als plötzlich alle Kommunikationskanäle von einem undurchdringlichen Nebel abgeschnitten werden. In vielen Episoden der legendären TV-Serie muss die tapfere Crew innerhalb von nur 45 Minuten Sendezeit „tech the tech“ und „science the science“ sein, um sich aus dieser oder einer ähnlichen misslichen Lage zu befreien, bevor der Abspann läuft. Trotz deutlich längerer Verweildauer in ihren Laboren ist es einem Team von Wissenschaftlern der Universität Rostock gelungen, einen völlig neuen Ansatz für das Design von künstlichen Materialien zu entwickeln, die Lichtsignale durch präzise abgestimmte Energieflüsse unverzerrt übertragen können. Ihre Ergebnisse haben sie in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

„Wenn sich Licht in einem inhomogenen Medium ausbreitet, wird es gestreut. Dieser Effekt wandelt einen kompakten, gerichteten Strahl schnell in ein diffuses Leuchten um und ist uns allen von Sommerwolken und Herbstnebel gleichermaßen bekannt“, sagt Professor Alexander Szameit vom Institut für Physik an der Universität Rostock beschreibt den Ausgangspunkt der Überlegungen seines Teams. Insbesondere ist es die mikroskopische Dichteverteilung eines Materials, die die Besonderheiten der Streuung bestimmt. Szameit fährt fort: „Die grundlegende Idee der induzierten Transparenz besteht darin, eine viel weniger bekannte optische Eigenschaft zu nutzen, um sozusagen einen Weg für den Strahl freizumachen.“

Diese zweite Eigenschaft, die in der Photonik unter dem geheimnisvollen Titel Non-Hermiticity bekannt ist, beschreibt den Energiefluss, genauer gesagt die Verstärkung und Dämpfung von Licht. Intuitiv mögen die damit verbundenen Effekte unerwünscht erscheinen – insbesondere das Ausbleichen eines Lichtstrahls aufgrund von Absorption würde für die Aufgabe, die Signalübertragung zu verbessern, höchst kontraproduktiv erscheinen. Nichtsdestotrotz sind nicht-hermitesche Effekte zu einem Schlüsselaspekt der modernen Optik geworden, und ein ganzes Forschungsgebiet strebt danach, das ausgeklügelte Zusammenspiel von Verlusten und Verstärkung für fortschrittliche Funktionalitäten nutzbar zu machen.

„Dieser Ansatz eröffnet ganz neue Möglichkeiten“, berichtet Doktorandin Andrea Steinfurth, Erstautorin der Arbeit. In Bezug auf einen Lichtstrahl wird es möglich, bestimmte Teile eines Strahls auf mikroskopischer Ebene selektiv zu verstärken oder zu dämpfen, um einem Beginn einer Verschlechterung entgegenzuwirken. Um im Bild des Nebels zu bleiben, konnten seine lichtstreuenden Eigenschaften vollständig unterdrückt werden. „Wir modifizieren aktiv ein Material, um es auf die bestmögliche Übertragung eines bestimmten Lichtsignals zuzuschneiden“, erklärt Steinfurth. „Dazu muss der Energiefluss genau gesteuert werden, damit er wie Puzzleteile mit dem Material und dem Signal zusammenpasst.“ In enger Zusammenarbeit mit Partnern der TU Wien haben die Rostocker Forscher diese Herausforderung erfolgreich gemeistert. In ihren Experimenten konnten sie die mikroskopischen Wechselwirkungen von Lichtsignalen mit ihren neu entwickelten Aktivmaterialien in Netzwerken aus kilometerlangen Glasfasern nachbilden und beobachten.

Tatsächlich ist induzierte Transparenz nur eine der faszinierenden Möglichkeiten, die sich aus diesen Erkenntnissen ergeben. Wenn ein Objekt wirklich zum Verschwinden gebracht werden soll, reicht die Verhinderung der Streuung nicht aus. Stattdessen müssen Lichtwellen völlig ungestört dahinter austreten. Doch selbst im Vakuum des Weltraums sorgt allein die Beugung dafür, dass jedes Signal unweigerlich seine Form ändert. „Unsere Forschung liefert das Rezept, um ein Material so zu strukturieren, dass Lichtstrahlen passieren, als ob weder das Material noch der Raumbereich, den es einnimmt, existierten. Das können nicht einmal die fiktiven Tarnvorrichtungen der Romulaner“, sagt er Co-Autor Dr. Matthias Heinrich, der zurück an die letzten Grenzen von Star Trek kreist.

Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse stellen einen Durchbruch in der Grundlagenforschung zur nicht-hermitischen Photonik dar und liefern neue Ansätze für die aktive Feinabstimmung empfindlicher optischer Systeme, beispielsweise von Sensoren für den medizinischen Einsatz. Weitere potenzielle Anwendungen sind optische Verschlüsselung und sichere Datenübertragung sowie die Synthese vielseitiger künstlicher Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften.