Licht legt den Rückwärtsgang ein Physik am Samstag, 03.11.2007 Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein Andrei Pimenov Experimentelle Physik IV, Universität Würzburg

Licht legt den Rückwärtsgang ein Physik am Samstag, 03.11.2007 Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein Preisrätsel Gewinnen Sie ein Kaleidoskop

Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein Gliederung Einleitung Was ist Licht? Was ist die Brechung des Lichts? Wie hat das Ganze angefangen? Wie reagiert Materie auf Licht? Negative Brechung Was ist negative Brechung? Was verändert sich dabei? Wie realisiert man negative Brechung? Gibt es negative Brechung in der Natur? Linsen mit negativer Brechung Zusammenfassung Andrei Pimenov

Licht = sichtbarer Bereich elektromagnetischer Strahlung Wellenlänge (m) 1 km 1 m 1 mm 1 mm 1 nm 1 pm 10-15 m Radio- Wellen Mikro- Wellen Infrarot Wellen Ultra- violet Röntgen Gamma 1 kHz 1 MHz 1 GHz 1 THz 1015 Hz 1018 Hz 1021 Hz 1024 Hz Frequenz (Hz) Sichtbares Licht 0.7 mm 0.4 mm

Brechung des Lichtes = Änderung der Ausbreitungsrichtung c ≈ 300 000 km/s - Lichtgeschwindigkeit in der Luft c/n - Lichtgeschwindigkeit im Medium (z.B. Wasser) n - Brechungsindex (Brechzahl) Wasser: n ≈ 1.33; c/n ≈ 230 000 km/s

Brechung = Änderung der Ausbreitungsrichtung Luft Wasser c ≈ 300 000 km/s - Lichtgeschwindigkeit in der Luft c/n - Lichtgeschwindigkeit im Medium (z.B. Wasser) n - Brechungsindex (Brechzahl) Wasser: n ≈ 1.33; c/n ≈ 230 000 km/s Luft Wasser

Brechung = Änderung der Ausbreitungsrichtung Luft Wasser

Wie hat das ganze angefangen ? „Negative Brechung in einem Medium, in dem gleichzeitig <0 and <0 sind“ Victor G. Veselago sov. phys. uspekhi 10, 509 (1968)

Was bedeutet: „ e<0 m<o “?  (Epsilon) - Dielektrische Konstante  (Mü) - Magnetische Permeabilität elektrisches Feld  (Epsilon) - Reaktion der Materie auf elektrisches Feld  (Mü) - Reaktion der Materie auf magnetisches Feld magnetisches Feld Ausbreitungsrichtung Licht = elektromagnetische Welle

e: Reaktion auf elektrisches Feld Θ + Θ + E - Elektrisches Feld in der Luft (Elektrische Feldstärke) D = e·E - Elektrisches Feld in der Materie (Verschiebungsdichte) In den meisten Fällen : e > 1 Θ + Θ + Θ + Θ +

m: Reaktion auf magnetisches Feld H - Magnetisches Feld in der Luft (magnetische Feldstärke) B = m·H - Magnetisches Feld in der Materie (Flußdichte) Fast immer: m ≈ 1 N S N S N S N S

Wie hat das ganze angefangen ? „Negative Brechung in einem Medium, in dem gleichzeitig <0 and <0 sind“ Victor G. Veselago sov. phys. uspekhi 10, 509 (1968)

Einleitung: Negative Brechung Die Ausbreitung des Lichtes wird mithilfe der Maxwellschen Gleichungen bestimmt (Wellengleichung) Aus der Wellengleichung erhält man den Brechungsindex: n 2 = em c ≈ 300 000 km/s - Lichtgeschwindigkeit in der Luft c/n - Lichtgeschwindigkeit im Medium

Was ist negative Brechung? n 2 = em Brechungsindex wird negativ !!! Lichtgeschwindigkeit wird negativ !!!

Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein Wie verläuft die Ausbreitung der Energie? "Fließt" die Energie jetzt zurück?

Negative Refraction: Phasengeschwindigkeit ist antiparallel zur Gruppengeschwindigkeit

Umkehr der Wellenbrechung Das Snellsche Gesetz: Luft Materie n > 0 a a Luft Materie n < 0 b b

Umkehr der Wellenbrechung P. Kolinko & D. Smith ‘03

Gibt es Materialien mit negativer Brechung? Lösung: Metamaterialien (= künstliche Materialien) Stufe 1: e < 0 Parallele Anordnung aus dünnen Drähten = Verdünnung eines Metalls Fast perfekte Reflektivität der Metalle ist auf die negative dielektrische Konstante (e<0) zurückzuführen

Gibt es Materialien mit negativer Brechung? Stufe 1: e < 0 Parallele Anordnung aus dünnen Drähten = Verdünnung eines Metalls Experimentelle Überprüfung: ø = 0.05 mm A. Pimenov & A. Loidl, PRL 2006

Gibt es Materialien mit negativer Brechung? Lösung: Metamaterialien (= künstliche Materialien) Stufe 2: m < 0 Split-Ring Resonator  Magnetische Resonanz In der Nähe der magnetischen Resonanz gibt es einen Bereich mit m<0

Gibt es Materialien mit negativer Brechung? Stufe 2: m < 0 Split-Ring Resonator  Magnetische Resonanz D. R. Smith et al. (2000)

Metamaterialien mit negativer Brechung Dünne metallische Drähte: e < 0 Split-Ring Resonatoren: m < 0 R. A. Shelby et al. Science 305, 788 (2004)

Ungewöhnliche Effekte bei negativer Brechung M. Wegener, Universität Karlsruhe

Ungewöhnliche Effekte bei negativer Brechung G. Dolling et al., 2006

Gibt es Materialien mit negativer Brechung in der Natur? Erweiterte Bedingung für die negative Brechung: m < 0 (gilt für Metalle) Lösung: Ferromagnetische Metalle Beispiele: Eisen, Nickel, (La:Ca)MnO3 Material: (La:Ca)MnO3 = Verbindungen mit kolossalem Magnetwiderstand China, Ära Kangxi (1662-1722) Porzellansammlung Dresden

Gibt es Materialien mit negativer Brechung in der Natur? Material: (La:Ca)MnO3 = Verbindungen mit kolossalem Magnetwiderstand China, Ära Kangxi (1662-1722) Porzellansammlung Dresden

Kann man mit negativer Brechung eine Linse bauen? Konventionelle Linse Konvex Vergrößerung: >1 Auflösung ≈1 mm Linse mit negativer Brechung Flach Vergrößerung: 1:1 Auflösung = perfekt (theoretisch)

Hat eine Linse mit negativer Brechung eine perfekte Auflösung?

Wird eine Linse mit negativer Brechung perfekt? Grbic and Eleftheriades, 2004 Quelle Abbildung konventionelle Auflösung

Zusammenfassung Lichtbrechung Brechungsindex: Negative Brechung: Änderung des Ausbreitungsrichtung Änderung der Lichtgeschwindigkeit Brechungsindex: Negative Brechung: Metamaterialien mit negativer Brechung: metallische Drähte + Split-Ring Resonatoren Natürliche Materialien mit negativer Brechung: ferromagnetische Metalle (z.B. Eisen) Linse mit negativer Brechung Flach, unendlich hohe Auflösung Andrei Pimenov