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Physik am Samstag, 03.11.2007 Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein Andrei Pimenov Experimentelle Physik IV, Universität Würzburg ep4 Universität Würzburg 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 1m RadioWellen 1 kHz MikroWellen 1 MHz 1 mm 1 mm 1 GHz Infrarot Wellen 1 THz 1 nm Ultraviolet 1015 Hz 1 pm 10-15 m Röntgen Gamma 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 ≈ 230000 km/s Brechung = Änderung der Ausbreitungsrichtung Luft Wasser Wie hat das ganze angefangen ? „Negative Brechung in einem Medium, in dem gleichzeitig <0 and m<0 sind“ Victor G. Veselago sov. phys. uspekhi 10, 509 (1968) Was bedeutet: „ <0 m<o “? (Epsilon) - Dielektrische Konstante m (Mü) - Magnetische Permeabilität elektrisches Feld magnetisches Feld (Epsilon) - Reaktion der Materie auf elektrisches Feld m (Mü) - Reaktion der Materie auf magnetisches Feld Licht = elektromagnetische Welle : Reaktion auf elektrisches Feld E - Elektrisches Feld in der Luft (Elektrische Feldstärke) D = ·E - Elektrisches Feld in der Materie (Verschiebungsdichte) In den meisten Fällen : >1 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 Wie hat das ganze angefangen ? „Negative Brechung in einem Medium, in dem gleichzeitig <0 and m<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 = m c ≈ 300 000 km/s - Lichtgeschwindigkeit in der Luft c/n - Lichtgeschwindigkeit im Medium Was ist negative Brechung? n 2 = m •Brechungsindex wird negativ !!! •Lichtgeschwindigkeit wird negativ !!! Negative Brechung: Licht legt den Rückwärtsgang ein n>0 n<0 Wie verläuft die Ausbreitung der Energie? "Fließt" die Energie jetzt zurück? Negative Refraction: Phasengeschwindigkeit ist antiparallel zur Gruppengeschwindigkeit n>0 n<0 Umkehr der Wellenbrechung Das Snellsche Gesetz: sin n sin Luft Luft Materie Materie n>0 n<0 Umkehr der Wellenbrechung n<0 n>0 P. Kolinko & D. Smith ‘03 Gibt es Materialien mit negativer Brechung? Lösung: Metamaterialien (= künstliche Materialien) Stufe 1: < 0 Parallele Anordnung aus dünnen Drähten = Verdünnung eines Metalls Fast perfekte Reflektivität der Metalle ist auf die negative dielektrische Konstante (<0) zurückzuführen Gibt es Materialien mit negativer Brechung? Stufe 1: < 0 Parallele Anordnung aus dünnen Drähten = Verdünnung eines Metalls Experimentelle Überprüfung: 0 0.55mm 0.45mm ø = 0.05 mm 1 -3 -6 0 Frequenz (GHz) 400 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 F 2 meff ( ) 1 2 02 i m 5 m < 0 0 -5 0 1 Frequency ( 2 D. R. Smith et al. (2000) Metamaterialien mit negativer Brechung Dünne metallische Drähte: < 0 Split-Ring Resonatoren: m < 0 R. A. Shelby et al. Science 305, 788 (2004) Ungewöhnliche Effekte bei negativer Brechung n>0 n<0 M. Wegener, Universität Karlsruhe n>0 Ungewöhnliche Effekte bei negativer Brechung n<0 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? Brechungsindex, n Material: (La:Ca)MnO3 = Verbindungen mit kolossalem Magnetwiderstand 100 Frequenz: 150 GHz 210 K 270 K 295 K 0 -100 5.0 Magnetfeld (Tesla) 5.5 China, Ära Kangxi (1662-1722) Porzellansammlung Dresden Kann man mit negativer Brechung eine n<0 Linse bauen? Konventionelle Linse • Konvex • Vergrößerung: >1 • Auflösung ≈1 mm Linse mit negativer Brechung • Flach • Vergrößerung: 1:1 • Auflösung = perfekt (theoretisch) n>0 n<0 Hat eine Linse mit negativer Brechung eine perfekte Auflösung? n<0 n>0 Wird eine Linse mit negativer Brechung perfekt? n<0 n>0 Quelle konventionelle Abbildung Auflösung Grbic and Eleftheriades, 2004 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 n<0
