Wissenschaft: Metamaterial wirkt wie eine optische Einbahnstraße

Wissenschaftler aus den USA und China haben ein Metamaterial entwickelt, das dafür sorgt, dass Photonen sich nur in eine Richtung bewegen. Es ist für den Einsatz in optischen Computern gedacht. Entwickelt wurde es von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology, der Universität des US-Bundesstaates Texas in Austin und der Universität der chinesischen Provinz Zhejiang in Hangzhou.

Propellerförmige Antennen

Das Material besteht aus zwei parallel angeordneten Platinen mit Antennen, die Propellern mit zwei Blättern ähneln. Sie sind in Reihen sowie in wechselnder Ausrichtung angeordnet: Eine senkrecht angeordnete Antenne ist von vier waagerechten umgeben. In der zweiten Platine sind die Antennen gegenläufig zu denen auf der Vorderseite angeordnet. Gegenüberliegende Antennen sind jeweils durch einen Leiter verbunden. Die Richtung, in der der elektrische Strom fließt, bestimmt auch die Richtung, in der die elektromagnetischen Wellen durch das Material geleitet werden.

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Die Antennen sind wechselnd angeordnet. (Foto: Zheng Wang/MIT)

Das System soll in einen optischen Computer integriert werden. Er soll verhindern, dass das Licht, das als Datenträger dient, in einem Wellenleiter rückwärts gestrahlt wird und dadurch die Datenübertragung stört. In heutigen optischen Netzen verhindern Isolatoren das, indem sie die Photonen, die sich in die falsche Richtung bewegen, absorbieren.

Signal wird schwächer

Diese Isolatoren verhinderten zwar die ungewollte Reflexion. Durch die Absorption der Photonen werde aber das Signal schwächer, erklärt Projektleiter Zheng Wang von der Universität in Austin. Dieser Verlust beschränke die Zahl an Geräten, die in optischen Systemen integriert werden könnten und damit auch die Größe dieser Systeme. In dem Metamaterial hingegen werden die Photonen nicht absorbiert, sondern in die richtige Richtung geleitet.

Im Prototyp sitzen die Antennen in zwei Platinen, die einen Abstand von etwa 2,5 Zentimetern haben. Es sei aber problemlos möglich, sie in Silizium einzubetten. Das System lasse sich auf Chipgröße miniaturisieren und für verschiedene Wellenlängen des Lichts anpassen, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.