Licht im Metamaterial

Ergänzung zu Licht im Medium

Wenn man das Schlagwort 'Medienzeitalter' hört, denkt man an Presse, Rundfunk, TV, Internet,...
Nur wenige denken dabei an die Physik des 'Lichts im Medium', die das 'Medienzeitalter' erst ausgelöst hat, und weiter revolutionieren wird - jedenfalls physikalisch. Das Zauberwort für die weitere Entwicklung heißt Nanooptik: natürliche Medien (für Licht) werden in rasantem Tempo durch Metamaterialien ergänzt. Mit diesen Metamaterialien kann man inzwischen Lichtwellen so beeinflussen, wie das früher nur für Radiowellen möglich war. Einer von vielen Aspekten ist dabei die Ausbreitung von Licht (Geschwindigkeit, Brechung) im Medium.

Die folgenden Animationen sollen in aller Kürze vermitteln, dass mit dieser Entwicklung auch für viele Physiker (und erst recht Physiklehrbücher) herkömmliche Grenzen überschritten (oder besser unterschritten) werden. So muss z.B. der Brechungsindex nicht mehr größer 1 sein...

Wir beginnen mit der vertrauten Situation. Für den (relativen) Brechungsindex n=2 z.B. sind Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit im Medium halb so groß wie im Vakuum.
Der Brechungsindex 1 ist nicht besonders interessant und deshalb nicht dargestellt. Aber für den Brechungsindex 1/2 müssen dann Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit doppelt so groß sein wie im Vakuum.
Ebenso für n=1/4
und n=1/8
Aber was passiert für n=0? Dann müssten ja Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit unendlich groß werden? Stimmt! Aber keine Angst, das ist kein Widerspruch zur Relativitätstheorie. Es gibt auch schöne Experimente dazu: On-chip zero-index metamaterials, DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.198
Und für negative Brechungsindizes läuft die Welle im Medium rückwärts.
Der Energietransport (Poyntingvektor) behält aber seine Richtung bei.
Wir ändern den Parameter der Animation:
Nebenstehend wird zu einer festen Zeit (t=0) der Brechungsindex von 1 nach -1 geändert.