Forscher: Die Debatte um die "perfekte Linse" heizt sich auf

Materialien mit negativem Brechungsindex können nicht als eine perfekte Linse zur Abbildung von Strukturen im Nanometerbereich eingesetzt werden. Mit dieser Aussage widersprechen zwei in dem Fachmagazin Physical Review Letters (PRL) veröffentlichte Arbeiten der im Jahr 2000 aufgestellten These, dass ein dünner Film eines Materials mit einem Brechungsindex von ?1 ein Objekt ohne Auflösungsverlust abbilden kann. Die neuen Veröffentlichungen haben die Diskussionen in der Fachwelt beträchtlich angeheizt, und unterschiedliche Meinungen stehen sich gegenüber ? ein Experiment muss wohl den Ausschlag geben.

In einer im Jahr 2000 in den Physical Review Letters (Band 85 Seite 3966) veröffentlichten Theoriearbeit sagte der englische Physiker John Pendry vom Imperial College London voraus, dass ein dünner Silberfilm von nur wenigen Nanometern Durchmesser ein Objekt perfekt abbilden kann ? d.h. selbst Strukturen unterhalb des Beugungslimits im Bereich der halben Wellenlänge des benutzten Lichts. In zwei neu erschienenen Theoriearbeiten widersprechen Forschergruppen aus Spanien und den USA dieser These.

Nicolas Garcia und Manuel Nieto ? Vesperinas zeigen in ihrer Arbeit (PRL Band 88 Referenznummer 207403) unter Benutzung des fundamentalen physikalischen Prinzips der Beschränkung der Energie von Lichtfeldern, dass die Dicke des in dem Gedankenexperiment von Pendry benutzten Films nicht groß genug für eine perfekte Abbildung eines Objekts sein kann. Die in allen Materialien vorhandene Dämpfung elektromagnetischer Felder würde zudem niemals eine Abbildung der für die perfekte Rekonstruktion eines Objekts notwendigen hohen räumlichen Frequenzkomponenten zulassen.

Eine Forschergruppe der Universität von Texas in Austin um Prashant Valanju geht noch weiter und sagt in einer Analyse die Unmöglichkeit einer negativen Brechung von Lichtwellenpaketen voraus (PRL Band 88 Referenznummer 187401). Da die negative Brechung die Grundlage der perfekten Linse darstellt und Licht in der Natur immer in Form von Paketen mit unterschiedlichen Frequenzkomponenten vorkommt, könne eine perfekte Linse niemals auf diese Weise hergestellt werden.

Die Forscher widersprechen auch der im Jahre 2001 in dem Fachblatt Science veröffentlichten Behauptung, dass
mittels sogenannter Metamaterielien die negative Brechung im Mikrowellenbereich nachgewiesen worden sei (Science Band 292 Seite 77). Diese erste und bisher einzige Demonstration negativer Brechung sei falsch interpretiert worden.

Eine detaillierte Antwort der angegriffenen Forschergruppen steht noch aus, allerdings lässt sich jetzt schon sagen, dass die perfekte Linse zu hitzigen Debatten auf den kommenden Optikkongressen führen wird.

Dass ein Material mit einem negativen Brechungsindex Licht im Gegensatz zu herkömmlichen Stoffen (wie etwa Wasser) in die “falsche” Richtung bricht, sagte bereits im Jahre 1968 der russische Physiker Victor Veselago voraus. Ein aus einem derartigen Material hergestellter dünner Film sollte sich daher zur Abbildung selbst kleinster Strukturen unterhalb des Beugungslimits der Optik eignen ? so Pendry im Jahre 2000. Ein geeignetes Material für eine derartige perfekte Linse wäre Silber, da dessen dielektrische Funktion bei optischen Frequenzen negative Werte annimmt. Weltweit arbeiten zahlreiche Forschergruppen an Experimenten zur Verifizierung und Herstellung der perfekten Linse.

Stefan Maier