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Auf engstem Raum elektrische Signale in Photonen umzuwandeln und diese gerichtet abzustrahlen: Das ist Physikern der Universität Würzburg erstmals gelungen. Die von ihnen entwickelte Antenne ist nur 800 Nanometer groß.
Richtantennen wandeln elektrische Signale in Radiowellen um und senden diese, wie ihr Name sagt, gerichtet an einen Empfänger – und das mit geringer Sendeleistung und ohne unnötige Überlagerungen. Dieses Prinzip, das in der Radiowellentechnik nützlich ist, könnte auch für miniaturisierte Lichtquellen interessant sein, schließlich findet nahezu die gesamte internetbasierte Kommunikation mit Hilfe von Licht statt. Richtantennen für Licht könnten nämlich dazu verwendet werden, Daten verlustarm und mit Lichtgeschwindigkeit zwischen verschiedenen Prozessorkernen auszutauschen. Damit Antennen auch mit den sehr kurzen Wellenlängen von sichtbarem Licht arbeiten, muss man die Größe solcher Richtantennen in den Nanometerbereich reduzieren.
Die Grundlage für diese Technik haben Würzburger Physiker jetzt mit einer Pionierarbeit gelegt: Im Fachjournal „Nature Communications“ beschreiben sie erstmals die Erzeugung von gerichtetem Infrarotlicht mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Yagi-Uda-Antenne aus Gold. Realisiert wurde die Antenne in der Nano-Optik-Arbeitsgruppe von Professor Bert Hecht, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik 5 an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). „Yagi-Uda“ heißt die Antenne übrigens, weil sie in den 1920er-Jahren von den Japanern Hidetsugu Yagi und Shintaro Uda entwickelt wurde.
Gesetze der Antennentechnik mit Licht anwenden
Wie kann man sich eine Yagi-Uda Antenne für Licht vorstellen? „Sie funktioniert im Wesentlichen wie ihre großen Geschwister im Radiobereich“, erklärt Dr. René Kullock, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Nano-Optik-Gruppe. Dort werden durch das Anlegen einer Wechselspannung im Metall Elektronen zum Schwingen angeregt. Das führt dazu, dass die Antennen elektromagnetische Wellen abstrahlen. „Im Falle einer Yagi-Uda-Antenne geschieht dies jedoch nicht in alle Richtungen gleichmäßig, sondern durch die gezielte Überlagerung der abgestrahlten Wellen mit Hilfe spezieller, sogenannter Reflektor- und Direktorelemente“, so Kullock. „ Dadurch kommt es zu konstruktiver Interferenz in einer Richtung und zu Auslöschung in allen anderen Richtungen.“ Dementsprechend könnte eine solche Antenne als Empfänger betrieben auch ausschließlich Licht aus der gleichen Richtung empfangen.
Die Gesetze der Antennentechnik auf nanometergroße Antennen zu übertragen, die Licht emittieren, ist technisch anspruchsvoll. Vor einiger Zeit konnten die Würzburger Physiker bereits zeigen, dass das Prinzip einer elektrisch getriebenen Lichtantenne funktioniert. Um nun aber eine relativ komplexe Yagi-Uda Antenne herzustellen, mussten sie sich einiges Neues einfallen lassen. Erfolgreich waren sie am Ende mit einer ausgeklügelten Herstellungsprozedur: „Wir haben Gold mit Gallium-Ionen beschossen und konnten auf diese Weise die Antennenform mit allen Reflektor- und Direktorelementen sowie die notwendigen Anschlussdrähte präzise aus hochreinen Goldkristallen ausfräsen“, erklärt Bert Hecht.
In einem nächsten Schritt haben die Physiker in dem Treiberelement einen Nanopartikel aus Gold so positioniert, dass es einen Draht des Treiberelements berührt und zum anderen Draht einen Abstand von nur einem Nanometer einhält. „Dieser Spalt ist so schmal, dass Elektronen ihn auf Grund des quantenmechanischen Tunneleffekts überwinden können, sobald eine Spannung angelegt wird“, erklärt Kullock. Diese Ladungsbewegung erzeugt in der Antenne Schwingungen mit optischen Frequenzen, welche dank der speziellen Anordnung der Reflektor- und Direktorelemente gebündelt abgestrahlt werden.
Die Anzahl von Direktoren bestimmt Zielgenauigkeit
Von der ungewöhnlichen Eigenschaft ihrer neuartigen Antenne, die Licht gerichtet abstrahlt, obwohl sie sehr klein ist, sind die Würzburger Forscher besonders fasziniert. Denn wie bei deren „großen Vorbild“ – der Radiowellentechnik – wird bei der jetzt konstruierten Antenne die Richtungsgenauigkeit der Lichtemission durch die Anzahl der Antennenelemente festgelegt. „Damit haben wir die bislang kleinste elektrisch betriebene Lichtquelle der Welt gebaut, die Licht in eine bestimmte Richtung abstrahlen kann“, freut sich Hecht.
Bis zur Anwendungsreife ist aber noch einiges an Arbeit zu leisten. Zum einen müssen die Physiker an dem Gegenstück für den Empfang von Lichtsignalen arbeiten. Zum anderen müssen sie Effizienz und Stabilität erhöhen.
Prof. Dr. Bert Hecht, Physikalisches Institut, Universität Würzburg, T (0931) 31-85863, hecht@physik.uni-wuerzburg.de
Electrically-driven Yagi-Uda antennas for light. René Kullock, Maximilian Ochs, Philipp Grimm, Monika Emmerling and Bert Hecht. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-14011-6
Es werde Licht – aber bitte gerichtet: Die erste elektrisch betriebene Yagi-Uda Antenne für Licht wu ...
Abbildung: Physikalisches Institut / Uni Würzburg
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Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Electrical engineering, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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