Forscher stellen eine Antireflexbeschichtung vor, die Wellen vieler Arten blockiert

Schlechter WLAN-Empfang, das Rauschen im Funksignal oder schlechte Sicht im Nebel – all diese Ärgernisse haben damit zu tun, dass Wellen wie sichtbares Licht oder Mikrowellensignale von zahlreichen ungeordneten Hindernissen abgelenkt und reflektiert werden. Die TU Wien in Wien (Österreich) und die Universität Rennes (Frankreich) haben nun gemeinsam eine überraschende Methode entwickelt, um Wellenreflexionen vollständig zu eliminieren.

Das Verfahren erlaubt die Berechnung einer maßgeschneiderten Antireflexstruktur. Damit kann beispielsweise eine für ein Funksignal nur teilweise durchlässige Wand mit einer zusätzlichen Schicht versehen werden, sodass das gesamte Signal reflexionsfrei durch die Wand geleitet werden kann.

Bislang war nicht einmal theoretisch klar, dass so etwas überhaupt möglich ist – nun konnte das Forscherteam eine Berechnungsmethode dafür präsentieren und auch im Experiment erfolgreich testen: Mikrowellen wurden durch ein komplexes, Wirrwarr von Hindernissen, dann wurde die passende Antireflexstruktur berechnet und im Experiment vor die Hindernisse gesetzt – die Reflexion konnte fast vollständig zum Verschwinden gebracht werden: Keine der Wellen kehrte auf die Seite zurück, von der sie eingestrahlt wurden.

Eine Antireflexbeschichtung für fast alles

„Das kann man sich ähnlich vorstellen wie die Antireflexbeschichtung einer Brille“, sagt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Sie fügen der Oberfläche der Brille eine zusätzliche Schicht hinzu, die dann dazu führt, dass Lichtwellen besser zu Ihren Augen gelangen als zuvor – die Reflexion wird verringert.“

Bei herkömmlichen Brillen ist das noch relativ einfach und mittlerweile Standardtechnik. Viel schwieriger ist es, wenn es um ein ungeordnetes Medium geht, in dem eine Welle immer wieder gestreut und abgelenkt wird, bis sie sich auf komplizierten Wegen aus einem solchen Labyrinth herausfindet. Eine trübe Glasscheibe oder ein Stück Zucker fallen in diese Kategorie – oder auch eine Betonwand, auf die ein Funksignal trifft. Die Wellen werden an vielen Stellen gestreut, so dass nur ein Teil durchkommt, der Rest wird von der Wand reflektiert oder absorbiert.

Doch wie sich nun herausstellt, lässt sich auch bei komplexer Wellenstreuung eine „Beschichtung“ finden, die jegliche Reflexion verhindert. „Zunächst muss man einfach bestimmte Wellen durch das Medium schicken und genau messen, wie diese Wellen vom Material reflektiert werden“, erklärt Michael Horodynski (TU Wien), der Erstautor der aktuellen Veröffentlichung. „Wir konnten zeigen, dass sich mit diesen Informationen für jedes Medium, das Wellen auf komplexe Weise streut, eine entsprechende Ausgleichsstruktur berechnen lässt, sodass die Kombination beider Medien Wellen vollständig passieren lässt.“ Der Schlüssel dazu ist ein mathematischer Methode, die wir entwickelt haben, um die genaue Form dieser Antireflexschicht zu berechnen.“

Experimente mit Mikrowellen

Bei der in Rennes durchgeführten experimentellen Umsetzung dieser neuen Methode wurden Mikrowellen zunächst durch einen metallischen Wellenleiter geschickt, in dem die Wellen von Dutzenden kleiner Gegenstände aus Metall und Teflon gestreut werden, die völlig zufällig und ungeordnet angeordnet sind. Nur etwa die Hälfte der Mikrowellenstrahlung gelangt auf die andere Seite, der Rest wird reflektiert.

Nach genauer Messung des Streuverhaltens dieses Systems konnte mit der neu entwickelten Methode berechnet werden, welche zusätzlichen Streupunkte genau für dieses zufällige System eine perfekte „Antireflexschicht“ bilden.

Und tatsächlich: Schickt man Wellen zunächst durch den Antireflex-Bereich mit den mathematisch optimierten zusätzlichen Streupunkten und wandert dann von dort durch den Bereich mit den zufällig angeordneten Streuern, landen sie hundertprozentig auf der anderen Seite – keine Welle kehrt dorthin zurück der Startpunkt und die Reflexion sind vernachlässigbar; und dies gilt für jede Wellenform, die auf die Antireflexionsstruktur trifft.

Von drahtlosen Signalen bis zum Mikroskop

Dass es möglich ist, Wellenstreuung durch zusätzliche Streuung zu kompensieren, eröffnet Möglichkeiten in ganz unterschiedlichen Bereichen: Die Technologie könnte nicht nur für einen besseren Funkempfang nützlich sein, sondern auch für bildgebende Verfahren, etwa in der Biophysik. Wellendynamik und Wellenstreuung werden auch bei 6G, der nächsten Generation des Mobilfunks nach 5G, eine große Rolle spielen: Man könnte die Intensität von Mobilfunksignalen reduzieren, wenn man es schafft, sie mit möglichst wenig auf geeigneten Wegen vom Sender zum Empfänger zu schicken Reflexion wie möglich.