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Richtantenne im Nanomaßstab Die kleinste Taschenlampe der Welt

Autor / Redakteur: Gunnar Bartsch* / Christian Lüttmann

Eine Lichtquelle, die zehnmal kleiner ist als ein rotes Blutkörperchen: An der Universität Würzburg haben Forscher eine nur 800 Nanometer große Antenne entwickelt, die elektrische Signale in Photonen umwandeln und diese gerichtet abstrahlen kann. Diese Technik könnte für Datentransfer zwischen Prozessorkernen relevant sein.

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Die erste elektrisch betriebene Yagi-Uda Antenne für Licht wurde am Physikalischen Institut der Universität Würzburg gebaut. Zwischen den Drähten des Treiberelements ist ein Goldnanopartikel eingebaut, der nur den unteren Draht berührt. Elektronen tunneln durch den einen Nanometer großen Spalt in den oberen Draht und erzeugen dabei Schwingungen im optischen Frequenzbereich.
Die erste elektrisch betriebene Yagi-Uda Antenne für Licht wurde am Physikalischen Institut der Universität Würzburg gebaut. Zwischen den Drähten des Treiberelements ist ein Goldnanopartikel eingebaut, der nur den unteren Draht berührt. Elektronen tunneln durch den einen Nanometer großen Spalt in den oberen Draht und erzeugen dabei Schwingungen im optischen Frequenzbereich.
(Bild: JMU, Physikalisches Institut)

Würzburg – 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 mithilfe von Licht statt. Richtantennen für Licht könnten 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 jetzt Würzburger Physiker gelegt: In ihrer aktuellen Studie beschreiben sie erstmals die Erzeugung von gerichtetem Infrarotlicht mithilfe einer elektrisch betriebenen „Yagi-Uda-Antenne“ aus Gold. Der Name dieser Antennenart geht auf die Japaner Hidetsugu Yagi und Shintaro Uda zurück, die sie in den 1920er-Jahren entwickelt haben.

Wie man mit schwingenden Elektronen Licht erzeugt

Wie kann man sich eine Yagi-Uda Antenne für Licht vorstellen? „Sie funktioniert im Wesentlichen wie ihre großen Geschwister im Radiobereich“, sagt Dr. René Kullock, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Nano-Optik-Gruppe der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). 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 mithilfe spezieller, so genannter Reflektor- und Direktorelemente“, führt Kullock aus. „Dadurch kommt es zu konstruktiver Interferenz in einer Richtung und zu Auslöschung in allen anderen Richtungen.“

Präzisionsarbeit aus Gold

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 Yagi-Uda Antenne herzustellen, mussten sie sich einiges Neues einfallen lassen. „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 Professor Bert Hecht, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik 5 an der JMU.

Mikroskopieaufnahme der ersten elektrisch betriebene Yagi-Uda Antenne für Licht, gebaut an der Universität Würzburg. Zwischen den Drähten des Treiberelements ist ein Goldnanopartikel eingebaut, der nur den unteren Draht berührt. Elektronen tunneln durch den einen Nanometer großen Spalt in den oberen Draht und erzeugen dabei Schwingungen im optischen Frequenzbereich.
Mikroskopieaufnahme der ersten elektrisch betriebene Yagi-Uda Antenne für Licht, gebaut an der Universität Würzburg. Zwischen den Drähten des Treiberelements ist ein Goldnanopartikel eingebaut, der nur den unteren Draht berührt. Elektronen tunneln durch den einen Nanometer großen Spalt in den oberen Draht und erzeugen dabei Schwingungen im optischen Frequenzbereich.
(Bild: JMU, Physikalisches Institut)

Im 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 (vgl. Mikroskopieaufnahme). „Dieser Spalt ist so schmal, dass Elektronen ihn aufgrund 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.

Direktoren verbessern die Zielgenauigkeit

Wie bei dem „großen Vorbild“ – der Radiowellentechnik – wird bei der jetzt konstruierten Nano-Antenne die Richtungsgenauigkeit der Lichtemission durch die Anzahl der Antennenelemente (z.B. Direktorelemente) festgelegt. „Damit haben wir die bislang kleinste elektrisch betriebene Lichtquelle der Welt gebaut, die Licht in eine bestimmte Richtung abstrahlen kann“, sagt Hecht.

Bis zur Anwendungsreife ist aber noch einiges an Arbeit zu leisten. Zum einen müssen die Physiker an dem Gegenstück für den gerichteten Empfang von Lichtsignalen arbeiten. Zum anderen müssen sie Effizienz und Stabilität erhöhen.

Originalpublikation: René Kullock, Maximilian Ochs, Philipp Grimm, Monika Emmerling and Bert Hecht: Electrically-driven Yagi-Uda antennas for light, Nature Communications volume 11, Article number: 115 (2020); DOI: 10.1038/s41467-019-14011-6

* G. Bartsch, Julius-Maximilians- Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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