Ein neues Verfahren kann Kunststoffe transparent oder sogar komplett unsichtbar machen

Induzierte Transparenz: Durch die präzise Steuerung des Energieflusses (erkennbar an leuchtenden Partikeln im Nebel) wird der Kunststoff für das optische Signal vollkommen transparent. Bildnachweis: Andrea Steinfurth / Universität Rostock

endgültiger Grenzraum. Das Enterprise-Raumschiff setzt seine Mission zur Erforschung der Galaxie fort, als plötzlich alle Kommunikationskanäle von einem undurchdringlichen Nebel abgeschnitten werden. In mehreren Episoden der beliebten TV-Serie muss die mutige Crew innerhalb von nur 45 Minuten Sendezeit „Tech-Tech“ und „Wissenschaft-Wissenschaft“ sein, um ihre Flucht aus dieser oder einer anderen misslichen Lage zu erleichtern, bevor der Abspann beginnt. Einem Team von Wissenschaftlern der Universität Rostock ist es trotz deutlich mehr Zeit in ihren Laboren gelungen, einen völlig neuen Ansatz zu entwickeln, um Kunststoffe zu konstruieren, die durch fein abgestimmte Energieflüsse optische Signale unverfälscht übertragen können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Wissenschaftlicher Fortschritt.

„Wenn Licht in einem inhomogenen Medium gestreut wird, erfährt es eine Streuung. Dieser Effekt verwandelt einen komprimierten, gerichteten Strahl schnell in ein diffuses Leuchten, das wir alle sowohl von Sommerwolken als auch von Herbstnebeln kennen“, sagt Professor Alexander Smit vom Institut für Physik an der Universität Rostock beschreibt für sein Team die Ausgangslage. Insbesondere die mikroskopische Dichteverteilung des Materials bestimmt die Streueigenschaften. Smit weiter: „Die Grundidee der induzierten Transparenz besteht darin, sich eine weniger bekannte optische Eigenschaft zunutze zu machen, um sozusagen den Weg eines Pakets freizumachen.“

Diese zweite Eigenschaft, in der Photonik unter dem obskuren Titel „Nichthermitizität“ bekannt, beschreibt den Energiefluss, genauer gesagt die Verstärkung und Dämpfung von Licht. Intuitiv mögen die begleitenden Effekte unerwünscht erscheinen – insbesondere das Ausbleichen des Lichtstrahls aufgrund von Absorption kann sehr kontraproduktiv für die Aufgabe sein, die Signalübertragung zu verbessern. Nicht-hierarchische Effekte sind jedoch zu einem wichtigen Aspekt der modernen Optik geworden, und ein ganzes Forschungsgebiet strebt danach, das komplexe Zusammenspiel von Verlusten und Verstärkungen für fortschrittliche Funktionen nutzbar zu machen.

„Dieser Ansatz eröffnet ganz neue Möglichkeiten“, sagt Doktorandin Andrea Steinfurt, Erstautorin der Arbeit. In Bezug auf einen Lichtstrahl wird es möglich, bestimmte Teile des Strahls auf mikroskopischer Ebene selektiv zu verstärken oder zu dämpfen, um jedem Beginn einer Verschlechterung entgegenzuwirken. Um im Nebelbild zu bleiben, können die lichtstreuenden Eigenschaften vollständig unterdrückt werden. „Wir modifizieren aktiv ein Material, um es für die bestmögliche Übertragung eines bestimmten Lichtsignals anzupassen“, erklärt Steinforth. „Dazu muss der Energiefluss genau gesteuert werden, damit er sich wie Puzzleteile in die Materie einfügt und signalisiert.“ In enger Zusammenarbeit mit Partnern der TU Wien haben sich Rostocker Forscherinnen und Forscher dieser Herausforderung erfolgreich gestellt. In ihren Experimenten konnten sie die mikroskopischen Wechselwirkungen optischer Signale mit 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 etwas wirklich verblassen muss, reicht es nicht aus, das Streuen zu verhindern. Stattdessen sollen hinter ihnen völlig ungestört Lichtwellen erscheinen. Aber selbst im Vakuum des Weltraums sorgt allein die Beugung dafür, dass jedes Signal unweigerlich seine Form ändert. „Unsere Forschung bietet ein Rezept, um eine Substanz so zu strukturieren, dass Lichtstrahlen passieren, als ob weder die Substanz noch der Bereich des Raums, den sie einnimmt, existierten. Nicht einmal Romulans illusorische Tarnvorrichtungen können das tun“, Co-Autor Dr. Matthias Heinrich, Rückkehr an die letzte Grenze von Star Trek.

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


Rekonfigurierbares Silizium-Nano-Nano, gesteuert durch vektorisiertes Lichtfeld


Mehr Informationen:
Andrea Steinfurth et al, Beobachtung von Lichtwellen konstanter Intensität und induzierter Transparenz in entworfenen nicht-hermitischen Synapsen, Wissenschaftlicher Fortschritt (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abl7412

Präsentiert von der Universität Rostock

das ZitatTransparency on Demand: New Process Can Make Synthetics Transparent or Even Completely Invisible (2022, 31. Mai) Abgerufen am 1. Juni 2022 von https://phys.org/news/2022-05-transparency-demand-artustry-materials-transparent. html

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