Die Tarnkappe gehört zu den ältesten Fantasien der Menschheit und beschäftigt die Physik seit Jahren ernsthaft. Bisherige Ansätze mit sogenannten Metamaterialien konnten ein Objekt zwar nach außen verbergen, hinterließen aber im Inneren der Tarnhülle eine störende Verzerrung. Forscher der Fudan-Universität haben nun eine echte Unsichtbarkeit erreicht, bei der weder außerhalb noch innerhalb der Hülle eine Spur zurückbleibt. Der als Tarnkappe beschriebene Effekt könnte präzise Sensoren und den Schutz empfindlicher Technik ermöglichen.
Metamaterialien sind künstlich strukturierte Werkstoffe, die durch ihren feinen inneren Aufbau Eigenschaften besitzen, die in der Natur nicht vorkommen. Mit ihnen lassen sich Wellen aller Art gezielt lenken, ob Licht, Schall oder Wärme. Genau darauf beruht die Idee der Tarnkappe, denn ein passend gestaltetes Metamaterial kann eine einfallende Welle so um ein Objekt herumleiten, dass sie hinter dem Objekt wieder zusammenläuft, als wäre dort nichts. Ein Beobachter nimmt das Objekt dann nicht mehr wahr. In der Praxis stellte sich dabei jedoch ein grundlegendes Dilemma, denn während die Tarnhülle die Störung nach außen beseitigte, erzeugte sie im Inneren eine neue Verzerrung des Feldes. Ein Problem wurde also gelöst, indem ein anderes geschaffen wurde. Für viele Anwendungen ist das entscheidend, denn eine Tarnkappe, die zwar von außen unsichtbar macht, im Inneren aber das physikalische Feld verzerrt, taugt etwa nicht für empfindliche Messungen.
Genau dieses Dilemma haben Forscher um den Physiker Jiping Huang an der Fudan-Universität in China gelöst. Ihr Ansatz erreicht eine Unsichtbarkeit, bei der die Streuung sowohl außerhalb als auch innerhalb der Tarnhülle vollständig verschwindet, ein Zustand, den die Forscher als doppelte Nullstreuung bezeichnen. Damit sieht das physikalische Feld so aus, als wäre die gesamte Vorrichtung gar nicht vorhanden, und zwar in jeder Richtung. Das Team demonstrierte den Effekt zunächst an der Ausbreitung von Wärme und entwarf eine Metamaterial-Hülle, durch die ein Temperaturfeld völlig ungestört hindurchläuft. Die Idee der Tarnkappe hat die Forschung schon in viele Richtungen getrieben, etwa als Physiker eine punktgenaue Gegenstrahlung entwickelten, die Objekte unsichtbar erscheinen lässt.
Für ihren Entwurf setzten die Forscher auf ein lernfähiges Computerprogramm, das die genauen Formparameter der Hülle bestimmte. Wie das Fachmagazin Physics der American Physical Society zu der Arbeit berichtet, ermittelte das Programm nicht nur die optimale Gestalt für eine Tarnkappe, sondern auch für zwei verwandte Bauformen, nämlich einen Sensor, der misst, ohne das Feld zu stören, und einen Konzentrator, der ein Feld gezielt verstärkt. Die gemessenen Temperaturprofile zeigten nahezu keine Verzerrung innerhalb des Metamaterials, womit der Nachweis der doppelten Nullstreuung erbracht war. Nach Einschätzung des Teams lässt sich das zugrunde liegende Prinzip auch auf andere Wellenarten übertragen, etwa auf Schall und Licht.
Der praktische Wert liegt weniger im Verschwindenlassen von Gegenständen für das Auge als in präzisen Anwendungen. Ein Sensor, der eine Messgröße erfasst, ohne das gemessene Feld selbst zu verändern, wäre für viele Bereiche wertvoll, von der Materialforschung bis zur Medizintechnik. Ebenso könnte die Technik empfindliche Bauteile thermisch abschirmen, etwa in Quantenschaltkreisen, die extrem störungsanfällig sind. Einordnend gilt, dass der Nachweis bislang für die Ausbreitung von Wärme erbracht wurde und die Übertragung auf sichtbares Licht weitere Arbeit erfordert, denn optische Tarnkappen funktionieren bisher meist nur für eine bestimmte Wellenlänge. Der Ansatz reiht sich in eine Reihe von Fortschritten ein, zu denen auch praktische Lösungen gehören, etwa als ein Start-up ein reales Tarnschild auf den Markt brachte. Die perfekte, für das bloße Auge unsichtbar machende Tarnkappe bleibt vorerst Fiktion, doch die Physik dahinter macht bemerkenswerte Fortschritte.