Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein

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

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

3. 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

4. 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 Gamma Röntgen 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

5. Brechung des Lichtes = Änderung der Ausbreitungsrichtung c ≈ 300000 km/s - Lichtgeschwindigkeit in der Luft c/n - Lichtgeschwindigkeit im Medium (z.B. Wasser) n - Brechungsindex (Brechzahl) Wasser: n ≈ 1.33; c/n ≈ 230000 km/s

6. Brechung = Änderung der Ausbreitungsrichtung c ≈ 300000 km/s - Lichtgeschwindigkeit in der Luft c/n - Lichtgeschwindigkeit im Medium (z.B. Wasser) n - Brechungsindex (Brechzahl) Wasser: n ≈ 1.33; c/n ≈ 230000 km/s Luft Wasser

7. Brechung = Änderung der Ausbreitungsrichtung Luft Wasser

8. 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)

9. 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

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

11. N N N N N N S S S S S S 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

12. 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)

13. 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 ≈ 300000 km/s - Lichtgeschwindigkeit in der Luft c/n - Lichtgeschwindigkeit im Medium

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

15. Wie verläuft die Ausbreitung der Energie? "Fließt" die Energie jetzt zurück? Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein n > 0 n < 0

16. Negative Refraction:Phasengeschwindigkeit ist antiparallel zur Gruppengeschwindigkeit n > 0 n < 0

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

18. Umkehr der Wellenbrechung n < 0 n>0 P. Kolinko & D. Smith ‘03

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

20. 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

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

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

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

24. Ungewöhnliche Effekte bei negativer Brechung n > 0 n < 0 M. Wegener, Universität Karlsruhe

25. n > 0 Ungewöhnliche Effekte bei negativer Brechung n < 0 G. Dolling et al., 2006

26. 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

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

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

29. Hat eine Linse mit negativer Brechung eine perfekte Auflösung?

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

31. Zusammenfassung • Lichtbrechung • 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