metamaterialien

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien, deren elektromagnetische, akustische oder mechanische Eigenschaften durch die Geometrie ihrer Baueinheiten bestimmt werden und sich von denen natürlicher Materialien deutlich unterscheiden. Die charakteristischen Eigenschaften entstehen durch Strukturen, deren Abmessungen kleiner sind als die Wellenlänge der betrachteten Welle, wodurch sich das Material als homogenes Medium mit effektiven Parametern verhält.

Typische Baueinheiten (Unit Cells) sind wiederholte Muster wie Split-Ring-Resonatoren, Dünnfilm-Mikrostrukturen oder pillarartige Anordnungen. Die Gesamteigenschaften lassen sich mit homogenisierungstheoretischen Ansätzen bestimmen, wodurch ein effektiver Brechungsindex, eine effektive magnetische Reaktion oder andere ungewöhnliche Kenngrößen entstehen können. Metamaterialien nutzen die Geometrie statt die chemische Zusammensetzung, um Wellen zu beeinflussen.

Es gibt verschiedene Klassen: elektromagnetische Metamaterialien, darunter optische und Mikrowellen-Metamaterialien, akustische Metamaterialien, die Schallwellen manipulieren, sowie mechanische Metamaterialien, die Sekundäreigenschaften wie Dichte oder Steifigkeit ungewöhnlich gestalten. Zentrale Konzepte umfassen negative Refraktion, Impedanzanpassung und Transformation Optics.

Der Begriff entstand aus der Verbindung von „meta“ mit Material und wurde in den späten 1990er Jahren populär, basierend auf der Vorhersage von Veselago über einen materiellen Typ mit negativem Brechungsindex. Erste experimentelle Nachweise stammen aus den frühen 2000er Jahren im Mikrowellenbereich. Seitdem wurden Metamaterialien in Laboren weltweit weiterentwickelt und auf verschiedene Frequenzbänder erweitert.

Anwendungsfelder reichen von Antireflexionsschichten, Superlinsen und Antennen bis zu Radarabsorbern und Schutzzielen wie Tarnung. Praktische Einschränkungen sind hohe Verluste, eingeschränkte Breitbandigkeit und komplexe Herstellung, insbesondere bei optischen Frequenzen. Die Forschung fokussiert auf verbesserte Verlustarme Designs, bessere Fertigungsmethoden und neue Typen von Unit Cells.