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Wegweisende Theorie: Wie Harry Potters Tarnkappe Wirklichkeit werden kann

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Unsichtbar werden mit einem Wundermantel: Ein alter Traum, dem Wissenschaftler jetzt in einer packenden Theorie so nahe kommen wie nie zuvor. Erstmals zeigen sie, wie eine Tarnkappe in einem breiten Lichtspektrum funktionieren kann - und Gegenstände in ihr einfach verschwinden würden.

Mit der Tarnkappe ist das so eine Sache. Bei Harry Potter und "Raumschiff Enterprise" funktioniert sie längst zuverlässig - nur in der Realität bereitet sie den Erfindern Ärger.

Elektromagnetische Strahlung, vulgo Licht, ist nicht besonders leicht um Gegenstände oder gar Menschen herum zu lenken. Doch genau das müsste passieren, wollte man unsichtbar sein: Wenn das Licht nicht vom Körper reflektiert, sondern um ihn herum fließen würde wie Wasser um einen Felsen, wäre man für seine Zeitgenossen nicht mehr zu sehen. So weit die Theorie. In der Praxis allerdings scheitert das Projekt Tarnkappe bisher daran, dass in der Natur keine Materialien vorkommen, die Licht um sich herumleiten, statt es zurückzuwerfen.

Bühne frei für die Metamaterialien: Sie verfügen dank ihrer exotischen Struktur über erstaunliche Eigenschaften. Auf ihrer Oberfläche wiederholen sich bestimmte Nano-Konstrukte, die kleiner sein müssen als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Sind die winzigen Strukturen richtig angeordnet, wird das Licht richtig umgeleitet.

Warum der Fisch immer woanders ist

Bisher glückten die ersten Versuche dieser Art vor allem mit Mikrowellenstrahlung, die über recht große Wellenlängen verfügt und entsprechend große Strukturen erlaubt. Schwieriger wird es bei sichtbarem Licht, dessen Wellenlängen kleiner sind. Darüber hinaus gibt es ein wesentlich größeres Problem - und das will ein deutscher Forscher gemeinsam mit einem tschechischen Kollegen nun zumindest theoretisch gelöst haben.

Wird Licht abgelenkt - etwa durch Wasser oder eine Linse -, verschieben sich die Punkte im optischen Raum: Gegenstände scheinen woanders zu sein, als sie in Wirklichkeit sind. Wer schon einmal versucht hat, einen Fisch im Aquarium zu fangen, kennt den Effekt: Der glitschige Geselle hält sich immer an einer anderen Stelle auf, als man meint. Da das Licht an der Grenze von Luft zu Wasser abgelenkt wird, hat sich der Punkt - in diesem Fall der Fisch - im optischen Raum verschoben.

Ähnliches tun die bisher in Experimenten benutzten Tarnvorrichtungen, nur extremer. "Sie verschieben die optischen Punkte in ihrem Innern auf einen Punkt", erklärt der Physiker Ulf Leonhardt. Für den Betrachter sieht das aus, als laufe ein Lichtstrahl direkt durch das Objekt - so, als ob es gar nicht da wäre (siehe Fotostrecke).

Die sanfte Art der Tarnung

"Das ist allerdings eine ziemlich brutale Methode", meint Leonhardt, der an der Nationaluniversität in Singapur und an der britischen University of St. Andrews arbeitet. Da das Licht um die Tarnkappe herum fließt, muss es eine längere Strecke zurücklegen. Um aber die Illusion der Nichtexistenz aufrecht zu erhalten, müssen die Oszillationen der Lichtwellen mit unendlicher Geschwindigkeit am Rand der Tarnkappe entlang sausen - damit alles so schnell geschieht, als sei das getarnte Objekt tatsächlich nicht im Weg. "Das bereitet natürlich einige Probleme", sagt Leonhardt. "Eines davon ist, dass bisherige Metamaterialien nur mit Licht einer bestimmten Frequenz funktionieren."

Der deutsche Forscher stellt nun gemeinsam mit Tomás Tyc von der britischen University of St. Andrews eine Alternative vor: Tarnvorrichtungen mit ausgeklügelten Geometrien, die das Licht kunstvoll um Objekte herum lenken. "Wir haben bei unseren Berechnungen Räume gefunden, die so gekrümmt sind, dass sie zu einer Tarnvorrichtung werden", sagt Leonhardt im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Das hat zwei Vorteile, schreiben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts "Science": "Der Vorgang ist natürlicher, wie bei einer Linse. Und man kann Materialien mit weniger extremen Eigenschaften verwenden."

Das Wichtigste aber: Die Tarnung würde nicht nur in zwei Dimensionen gelingen wie in den bisherigen Experimenten, sondern auch in dreien - etwa in Form einer Kugel. Erst unter dieser Voraussetzung könnte der Sprung zur echten Tarnvorrichtung für Objekte oder Menschen funktionieren.

"Großer Schritt zu Harry Potters Tarnmantel"

Jensen Li von der University of California in Berkeley, einer der wenigen Spezialisten auf dem Gebiet der Tarnvorrichtungen, lobt Leonhardts Modell. "Die Leistung in einem breiten Frequenzbereich ist sehr wichtig, da das menschliche Auge ein Spektrum von rot bis violett sieht." Und dies hätten bisherige Tarnvorrichtungen aufgrund ihres Materials nicht berücksichtigen können. Da das Design von Leonhardt und Tyc "alle problematischen Singularitäten" einer Tarnkappe beseitige, komme es mit weniger exotischen Materialien aus.

Doch gewisse fundamentale Probleme bleiben, betont David Schurig von der Duke University in Durham im US-Bundesstaat North Carolina. Er stellte vor zwei Jahren als Erster eine Tarnvorrichtung vor, die elektromagnetische Strahlung um ein Objekt herumführen konnte. "Nichts in unserem Universum kann vollständig unauffindbar sein", sagt Schurig SPIEGEL ONLINE. "Jede Tarnkappe hat eine Schwachstelle."

Die bisherigen Entwürfe, darunter auch seiner, seien etwa für breitbandige Strahlung anfällig. Leonhardts Design aber könne Phasenverzerrungen und Lichtstreuung verursachen - ähnlich wie dünnes Glas. Und auch die Beschleunigung des Lichts sei bei Leonhardts Modell immer noch notwendig, wenn auch nicht im gleichen Ausmaß wie bei bisherigen Entwürfen. Dennoch sei die neue Idee "interessant" und könne einen wertvollen Beitrag leisten.

Skepsis von Forscherkollegen

Weniger begeistert äußerte Christopher Davis von der University of Maryland. Er hatte im Dezember 2007 die erste Tarnkappe vorgestellt, die in den Bereich des sichtbaren Lichts hineinreicht . Sie funktionierte aber, wie alle vorherigen Tarnvorrichtungen auch, nur in zwei Dimensionen. "Die Ausweitung der Tarnung auf drei Dimensionen ist nicht undenkbar, aber äußerst schwierig", erklärte Davis gegenüber SPIEGEL ONLINE. Echte Unsichtbarkeit setze nun einmal voraus, dass alles hinter einem getarnten Objekt so zu sehen ist, als sei das getarnte Objekt nicht vorhanden. "Für eine Blickrichtung scheint das möglich zu sein", meint Davis. "Aber für alle Farben und alle Blickrichtungen ist es außerordentlich schwierig."

Leonhardts Arbeit verrate nichts über die Bewältigung der praktischen Schwierigkeiten, die sich bei der Umsetzung der 3D-Tarnkappe in die Realität ergeben würden. Die "mathematische Stichhaltigkeit" von Leonhardts Arbeit stelle er nicht in Frage, betonte Davis. "Aber ihre praktische Relevanz kann ich nicht erkennen. Das hier ist nicht Harry Potters Tarnmantel!"

Li zeigt sich dagegen optimistischer. Denn für die menschliche Wahrnehmung sei nur wichtig, welche Bahn das Licht nehme - und nicht, ob es beispielsweise kürzer oder länger unterwegs sei. Der nächste Schritt müsse nun sein, einen intelligenten Weg zu finden, Leonhardts Idee in einen größeren Maßstab umzusetzen. "Dieser neue Entwurf funktioniert zwar nur in der geometrischen Optik", sagt der Forscher zu SPIEGEL ONLINE. "Aber er könnte ein großer Schritt zu Harry Potters Tarnmantel sein."

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