Schaltbarer Infrarotfilter aus Metamaterial

Mikrostrukturierte Metallschicht wechselt kontrolliert zwischen amorpher und kristalliner Phase – Grundlage für vielseitige Optiken
Schaltbares Metamaterial: Der Wechsel zwischen amorpher und kristalliner Phase an der Oberfläche der Mikrostruktur verändert die Transmissionseigenschaften für infrarotes Licht.
Schaltbares Metamaterial: Der Wechsel zwischen amorpher und kristalliner Phase an der Oberfläche der Mikrostruktur verändert die Transmissionseigenschaften für infrarotes Licht.
© Karvounis/Gholipour/MacDonald/Zheludev, Optoelectronics Research Centre, University of Southampton
Southampton (Großbritannien) - Metamaterialien bilden wegen ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften die Grundlage für Tarnkappen und extrem flache Metalinsen. Verantwortlich dafür ist die symmetrische Anordnung von metallischen oder isolierenden Mikrostrukturen. Britische Physiker fanden nun einen eleganten Weg, wie sich die optischen Eigenschaften solcher Metamateralien mit kurzen Laserblitzen gezielt verändern ließen. In der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ präsentieren sie einen ersten Prototyp eines schaltbaren Metamaterials auf der Basis einer Substanz, die per Lichtblitz zwischen kristalliner und amorpher Phase wechseln konnte.

„Metamaterialien bilden die technologische Plattform für neue Optiken des 21. Jahrhunderts“, sagt Kevin MacDonald von der University of Southampton. Und wenn sich diese Metamaterialien zusätzlich noch auf Knopfdruck verändern lassen, erweitert sich das Anwendungsspektrum deutlich. Die Grundlage dazu legte MacDonald mit seinen Kollegen nun mit einer Metallliegerung aus Germanium, Antimon und Tellur, kurz GST genannt. In dieser Legierung verteilten sich die Metallatome zuerst in einer ungeordneten, amorphen Phase. Doch ein kurzer grüner Laserblitz reichte aus, um die GST-Schicht an der Oberfläche in eine kristalline Phase mit einer geordneten Atomstruktur zu verwandeln.

Für ihren Prototyp eines schaltbaren Metamaterials deponierten die Forscher eine nur ein Drittel millionstel Meter dünne, amorphe GST-Schicht auf einer flachen Unterlage aus Quarz. Diese Schicht unterteilten sie mit einem stark fokussierten Ionenstrahl in zahlreiche kleine, symmetrisch angeordnete Teilstücke. Dank dieser symmetrischen Struktur blockte das Metamaterial Infrarotlicht effektiv ab. Das änderte sich nach einer kurzen Belichtung mit einem grünen Laser drastisch. Die Oberfläche der amorphen Legierung wechselte seine Phase und wurde kristallin. In diesem Zustand bildete es für Infrarotlicht keine Barriere mehr.

Mit diesem mit Licht kontrollierbaren Metamaterial wollen MacDonald und Kollegen noch keine schaltbaren Tarnkappen oder flache Linsen fertigen. Es ging ihnen erstmal mit dem variablen Infrarotblocker um die reine Demonstration einer schaltbaren Optik aus einem Phasenwechselmaterial. Aber nach diesem Prinzip könnten in Zukunft – abhängig von der Gestaltung der mikroskopisch kleinen Strukturen – weitere schaltbare Metamaterialien entwickelt werden. Diese könnten für die Datenverarbeitung und -leitung mit Lichtwellen und in ferner Zukunft vielleicht auch für schaltbare Tarnkappen genutzt werden.

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