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Dreidimensionale Chirale Metamaterialien

Julian Köpfler – Hector Fellow Martin Wegener

Metamaterialien erhalten ihre Funktion durch eine ausgeklügelte Mikrostrukturierung. Dadurch können Materialeigenschaften erzielt werden, welche weit über die von gewöhnlichen Materialien hinausgehen. Durch Einbringen sogenannter topologisch geschützter Resonanzen können z.B. mechanische Schwingungen in einem Material lokal verstärkt und robust gegenüber Störungen gemacht werden. In diesem Projekt geht es um das Design und die Fabrikation von chiralen Metamaterialien mit topologisch geschützten Resonanzen zur Realisierung eines resonanten mechanischen Laserscanners.

Metamaterialien sind rational entworfene Strukturen mit effektiven makroskopischen Materialeigenschaften, die über die von gewöhnlichen Materialien hinausgehen. Zum Beispiel ist es durch die Einführung sogenannter topologisch geschützter Resonanzen möglich, mechanische Schwingungen lokal zu verstärken und sie gegen Störungen robust zu machen.

In diesem Projekt werden chirale Metamaterialien mit topologisch geschützten Resonanzen entworfen und hergestellt, um einen resonanten mechanischen Laserstrahlscanner zu realisieren (siehe Abbildung). Solche Laserstrahlscanner sind für verschiedene Anwendungen wie LIDAR, konfokale Mikroskopie, Projektordisplays und Materialbearbeitung von entscheidender Bedeutung.

Das funktionale Design des mikrostrukturierten Metamaterials wurde bereits erfolgreich ausgearbeitet. Eine zentrale Herausforderung des Projekts besteht nun darin, steife und verlustarme Materialien zu finden, mit denen die gewünschten Mikrostrukturen mittels 3D-Laserlithographie hergestellt werden können. Ein vielversprechender Kandidat ist Sinterglas aus einer Quarz-Polymer-Mischung.

 

Abbildung 1: Künstlerische Ansicht des entworfenen mikrostrukturierten Metamaterialstrahls mit topologisch geschützter Resonanz. Die Struktur wandelt eine kleine Gegentaktanregung (z. B. durch einen piezoelektrischen Wandler gegeben) auf der linken Seite in eine große Drehung auf der rechten Seite um. Mit dem hinzugefügten Mikrospiegel kann das System zum Scannen eines Laserstrahls verwendet werden.