Negative Lichtbrechung mit natĂĽrlichem Magnetmaterial demonstriert
Forscher der University of Hong Kong demonstrieren negative Lichtbrechung mit dem natürlichen Magnetmaterial CrSBr – eine Alternative zu Metamaterialien.
(Bild: University of Hong Kong / Bearbeitung heise medien)
Wissenschaftler der University of Hong Kong (HKU) haben negative Lichtbrechung mit einem natürlichen magnetischen Material demonstriert. Die in Nature Nanotechnology veröffentlichte Arbeit „Excitonic negative refraction mediated by magnetic orders“ nutzt einen alternativen Ansatz zu den bisher üblichen künstlichen Metamaterialien.
Negative Lichtbrechung an dĂĽnner CrSBr-Schicht
Normalerweise wird ein Lichtstrahl beim Eintritt in Wasser oder Glas in eine bestimmte Richtung abgelenkt – ein Effekt, den man beim Blick auf einen Strohhalm im Wasserglas beobachten kann. Bei negativer Lichtbrechung geschieht das Gegenteil: Der Lichtstrahl biegt sich in die entgegengesetzte Richtung, als würde er den üblichen physikalischen Regeln widersprechen. Die Studie beschreibt, wie dieses Phänomen in einem exzitonischen Van-der-Waals-Magneten, nämlich Chromsulfidbromid (CrSBr), beobachtet wurde.
Das Forscherteam unter Leitung von Professor Xiang Zhang nutzte nun eine sehr dünne Schicht des luftstabilen, zweidimensionalen magnetischen Halbleiters. Das Material durchläuft bei etwa 133 Kelvin (–140 Grad Celsius) einen antiferromagnetischen Übergang und zeigt sowohl Luftstabilität als auch eine vergleichsweise hohe magnetische Ordnungstemperatur.
Die magnetische Struktur der dünnen CrSBr-Schicht führt dazu, dass sich magnetische Atome innerhalb und zwischen den Schichten unterschiedlich ausrichten. Diese magnetische Ordnung beeinflusst die Lichtausbreitung im Material und ermöglicht negative Brechung. Der Vorteil der dünnen Schicht: Sie lässt sich auf einem Chip integrieren und erlaubt kompakte optische Bauelemente.
(Bild:Â University of Hong Kong)
Experimenteller Aufbau
Die hongkonger Forscher entwickelten eine exzitonische Hyperlinse auf einem integrierten nanophotonischen Chip, deren Funktionalität durch die magnetischen Ordnungen von CrSBr vermittelt wird. Es gelang ihnen nach eigenen Angaben, eine „Hyperlinse“ zu erzeugen, die Licht auf winzige Bereiche fokussieren kann – relevant für hochauflösende Bildgebung und optische Datenverarbeitung.
Ein besonderes Merkmal des Systems ist laut den Angaben seine Steuerbarkeit: Der Effekt lasse sich durch externe Magnetfelder oder Temperaturänderungen ein- und ausschalten. Dies unterscheidet den Ansatz von herkömmlichen Metamaterialien, deren optische Eigenschaften in der Regel fest vorgegeben sind. Als potenzielle Anwendungsgebiete nennt das Forschungsteam hochauflösende medizinische Bildgebung, optische Datenverarbeitung, kompakte optische Bauelemente und Quantentechnik.
Theoretische und experimentelle Grundlagen
Die theoretischen Grundlagen wurden 1967 von Victor Veselago entwickelt. Der experimentelle Nachweis gelang 2001 mit Metamaterialien, also kĂĽnstlich hergestellten Strukturen. Diese sind jedoch komplex in der Herstellung und weisen oft erhebliche Energieverluste auf.
Im Februar 2025 demonstrierten Forscher der Lancaster University und NTT Basic Research Laboratories in einer numerischen Simulation negative Lichtbrechung in atomaren Medien – mit präzise angeordneten Atomschichten in optischen Gittern. Ein experimenteller Nachweis steht bisher aus.
(vza)
