84 Phys. Unserer Zeit 2/2016 (47) © 2016 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim am Baum bleibt immer grün, egal, ob es durch ein Stück Fensterglas läuft oder an einem Spiegel am anderen Ende des Raums reflektiert wird. Alle auftretenden Effekte schei- nen dabei einzig und allein nur linear proportional mit der Feldstärke der Lichtwelle zusammenzuhängen. Verdoppelt man die Feldstärke einer Lichtwelle, die auf einen Spiegel fällt, so ist auch die Feldstärke der reflektierten Welle dop- pelt so groß. Andere Effekte, wie etwa der Brechungswin- kel eines Lichtstrahls an einem Wasserglas, scheinen sogar gänzlich unabhängig von der Lichtintensität zu sein. Im Jahr 1961, kurz nach der Realisierung des ersten La- sers, machte man jedoch eine erstaunliche Beobachtung. Lief das intensive rote Licht eines Rubinlasers mit einer Wel- lenlänge von 694 nm durch einen einfachen Quarzkristall, erzeugte es darin Licht im ultravioletten Bereich bei genau der halben Wellenlänge, also doppelter Frequenz [1]. Die- ses Experiment wird heute gern als die Geburtsstunde des Forschungsgebietes der nichtlinearen Optik bezeichnet. Inzwischen ist eine ganze Reihe von optischen Effekten bekannt, die erst bei sehr hohen Intensitäten von Licht in Erscheinung treten. Einige dieser Effekte finden sich mitt- lerweile sogar in unserem täglichen Leben wieder. Be- stimmte Frequenzen von Laserlicht werden heute stan- dardmäßig durch nichtlineare optische Effekte wie die Fre- quenzverdopplung erzeugt. Die grünen Laserpointer nutzen genau dieses Prinzip, da keine leistungsfähigen Halbleiter- diodenlaser im grünen Spektralbereich zur Verfügung ste- hen. Moderne optische Datenspeicher erreichen durch nichtlineare Effekte höhere Speicherkapazitäten. In der Bio- logie und Medizin lässt sich so die Auflösung optischer Mi- kroskope deutlich steigern [2], auch die Laserchirurgie zur Behandlung von Fehlsichtigkeit nutzt nichtlineare Effekte aus [3]. Das Interesse an der nichtlinearen Optik spiegelt sich zudem in der Wissenschaft wider. So wurden seit den ersten Experimenten der Frequenzverdopplung bereits ei- nige Nobelpreise für Entdeckungen in Physik und Chemie vergeben, die mit nichtlinearen Effekten zusammenhängen. Die nichtlineare Optik ist aber auch aus einem ganz an- deren Grund äußerst interessant. Die immer höheren An- forderungen an eine schnelle Datenübertragung und Da- tenverarbeitung können nur noch durch die Verwendung von Licht als Informationsträger erfüllt werden. In naher Zukunft könnten deshalb elektronische Bauelemente zu- Nanoskalierte Metamaterialien Designermaterialien für nichtlineare Optik HEIKE P ROBST | T HOMAS Z ENTGRAF Künstliche Nanostrukturen lassen sich heute bereits am Computer so designen, dass sie völlig neue, nichtlineare optische Effekte ermöglichen. Hergestellt werden sie dann mit Hilfe modernster Techniken aus der Halbleiterindustrie. Sie ermöglichen zum Beispiel neue optische Bauelemente, welche die Informations- und Kommunikationstechnik revolutionieren könnten. DOI: 10.1002/piuz.201601427 A ls „Unmöglichkeiten ersten Grades“ bezeichnet der bekannte amerikanische Futurist und Physiker Michio Kaku vom City College of New York Zukunftstechnologien, die auf nichtlinearer Optik beruhen und mit neuartigen, nanoskalierten Metamaterialien realisiert werden. Sie ver- stoßen nicht gegen die Naturgesetze, aber mit ihnen lassen sich komplett neue Materialeigenschaften ausbilden, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht realisierbar sind. Dazu verändert man gezielt die nichtlinearen optischen Eigenschaften in einem künstlich strukturierten Material. Auf diese Weise entstehen Designermaterialien, die schon heute ultraflache Linsen, Hologramme oder – in Gren- zen – Tarnkappen ermöglichen, in Zukunft aber auch kom- plexere und kleinere optische Bauelemente realisierbar ma- chen werden. Insbesondere bei der optischen Kommuni- kationstechnologie und Quantenkommunikation spielen Frequenzumwandlungen häufig eine wichtige Rolle (siehe Physik in unserer Zeit 2016, 47(1), 20) und sind auf eine Hand voll in der Natur vorkommende Materialsysteme be- schränkt. Mit der nichtlinearen Optik hat die Wissenschaft ein neues Werkzeug, um die Wechselwirkung von Licht mit Licht oder von Licht mit Materie besser zu kontrollieren und auch effizienter zu gestalten. Nichtlineare Optik Beim Blick durch das offene Fenster nehmen wir unsere Umwelt genauso wahr wie beim Blick durch die Glas- scheibe eines geschlossenen Fensters: die Farben der Bäu- me oder Autos sind gleich. Beobachten wir in unserem All- tag optische Phänomene, so stellen wir schnell fest, dass sich die Farbe von Licht, also die Frequenz der Licht- schwingung, nicht ändert. Das reflektierte Licht der Blätter Online-Ausgabe unter: wileyonlinelibrary.com