Spektrum der Wissenschaft - 05.2019

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Aus rund mach flach

Eine klassische Linse bündelt

Licht mittels ihrer gekrümmten

Oberflächen (oben). Bleiben

nur diese stehen und entfernt

man die inneren Glasschichten,

ergibt sich eine viel dünnere

Fresnel ­ Linse (Mitte). Sie bricht

das Licht ähnlich, doch die

Säge zahn struktur ermöglicht

keine gute Abbildung mehr.

In mikrosko pischen Dimen­

sionen lassen sich die Stufen

durch einzelne, unterschiedlich

breite Nanoblöcke ersetzen

(unten). Bei einer solchen »Meta­

linse« verzögern die Strukturen

die Wellen des Lichts gerade

so, dass es in eine bestimmte

Richtung gebündelt wird.

und blauen Teil des Spektrums gefer­

tigt. Die Abbildungsqualität bei den

entsprechenden Wellenlängen erwies

sich der eines herkömmlichen Glas­

objektivs für Mikroskope als ebenbür­

tig. Seinerzeit gelang es den Forschern

allerdings noch nicht, die verschiede­

nen Wellenlängen mit einer einzelnen

Linse auf einen Punkt zu fokussieren.

Das holten sie in zwei Publikationen

vom Januar 2018 nach. Mit ausgeklü­

gelten Designs der Nanostrukturen

erzeugten sie eine gemeinsame Brenn­

weite für Wellenlängen zwischen 470

und 670 beziehungsweise zwischen

400 und 660 Nanometern. Das funk­

tio nierte indes nur mit polarisiertem

Licht, also solchem mit einer bestimm­

ten Schwingungsrichtung. Normales

Umgebungslicht hat aber keine Vor­

zugsorientierung, so dass die Linse

bloß auf einen Teil davon wirkt.

Den jüngsten Durchbruch erreichte

im Januar 2019 Wei Ting Chen aus

Ca passos Arbeitsgruppe. Er präsen­

tierte erstmals eine Metalinse, die

Licht unabhängig von dessen Polarisa­

tionsrichtung und über fast den gan­

zen Bereich des sichtbaren Spektrums

fokussiert.

Chen hatte eine geschickte Anord­

nung verschiedener Strukturen mit

In technischen Anwendungen könn­
te das eine ungeahnt kompakte und
leichte Bauweise bei optischen Gerä­
ten ermöglichen. Die entscheidenden
Elemente solcher Linsen in lichtdurch­
lässigen Halbleitern wie Titandioxid
sind kaum einen Mikrometer (tau­
sendstel Millimeter) dick.
Zwar gelang es Forschern bereits
vor Jahrzehnten, Strahlung mittels
spezieller Oberflächenstrukturen zu
bündeln, sogar im sichtbaren Spekt­
rum. Aber der Effekt hängt stark von
der Wellenlänge ab: Jede Farbe fällt in
einen eigenen Winkel. Die vielen
Wellenlängen des weißen Lichts
ließen sich nicht auf einen Punkt
zusammenführen. Nun ist Wissen­
schaftlern das Kunststück jedoch mit
raffiniert im Computer berechneten
Nanostrukturen gelungen.

Ein Ort, sie zu bündeln
Den Erfolg verbuchte eine US­Arbeits­
gruppe um Federico Capasso von der
Harvard University in Cambridge,
Massachusetts. Die Wissenschaftler
konstruieren bereits seit einigen
Jahren gezielt Metalinsen im Bereich
sichtbarer Wellenlängen. Schon 2016
haben sie leistungsfähige Exemplare
jeweils speziell für den roten, grünen

klassische Linse

Fresnel-Linse

Nur gekrümmte

Oberflächen

bleiben stehen.

Metalinse

Nanostrukturen

verzögern die

Wellen unter-

schiedlich stark.

rechteckiger Grundfläche errechnet

und die Linse mittels Elektronenstrahl­

lithografie hergestellt. Dabei fräst ein

dünner Strahl aus Elektronen Furchen

in eine Halbleiterschicht. Die Wissen­

schaftler hoffen jedoch, solche Linsen

in Zukunft auch mit der auf Licht

basierenden Fotolithografie – einer

etablierten Methode aus der Massen­

produktion von Computerchips – im

großen Stil zu fertigen.

Werden nun Metalinsen bald die

Linsen in Smartphonekameras und

weiteren miniaturisierten Geräten

ersetzen? Darauf spekuliert zumindest

Capassos Arbeitsgruppe, die seit 2017

mit einer ausgegründeten Firma und

mehreren Patenten eine Kommerziali­

sierung vorantreibt. Ein Problem ist

allerdings derzeit noch die Winzigkeit

der Bauteile. Chens polarisations­ und

wellenlängenunabhängiges Exemplar

bringt es auf gerade einmal 26 Mikro­

meter Durchmesser. Die Linsen in

Smartphones sind 100­mal größer.

Auf dem Weg zu entsprechend

dimensionierten Metalinsen gibt es

diverse Hürden. Beispielsweise sind

darauf schlicht mehr Nanostrukturen

nötig. Deren Zahl wächst mit dem

Quadrat der Fläche, und millimeter­

oder gar zentimetergroße Linsen

brauchen Milliarden von Elementen.

Jedes muss berechnet und mittels

Lithografie in die Oberfläche geritzt

werden. Von Capassos Team entwi­

ckelte Kompressionsalgorithmen

Die rasterelektronenmikroskopische

Aufnahme eines etwa 20 Mikrometer

breiten Bereichs einer Metalinse zeigt

die typische Struktur der Oberfläche.

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT / MIKE BECKERS

CAPASSO LAB/HARVARD SEAS