Forschung -

Hybride Nanoantenne manipuliert sichtbares Licht

Forscher von A*STAR entwickelten eine optische Nanoantenne, mit der sich sichtbare Lichtwellen auf Mikrochipebene manipulieren lassen. Solche Nanoantennen können die Entwicklung hochauflösender Bildsysteme in kleinen mobilen Geräten ermöglichen.

Photonen in Lichtstrahlen können mehr Informationen aufnehmen als Elektronen, die durch elektrische Leitungen wandern. Wenn Licht in Chips die drahtlose Datenübertragung bewerkstelligt, könnte es den Weg für Technologien, wie zum Beispiel extrem schnelle Bildgebung für medizinische Anwendungen und Telefonbildschirme mit hochauflösenden, dreidimensionalen Displays ebnen.

Jetzt haben Jinfa Ho, Joel Yang und Arseniy Kuznetsov und ihr Team vom 'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering' eine Nanoantenne entwickelt, die Lichtwellen im Chipmaßstab ausstrahlen kann.

Entscheidend ist, dass ihr Design erstmals eine präzise Bestimmung der Richtung, in die sich die Lichtwellen bewegen, ermöglicht und gleichzeitig die Strahlungsverluste begrenzt, die ein störendes Übersprechen zwischen den Komponenten verursachen könnte.

Die meisten Menschen würden die typischen Antennen auf Gebäudedächern erkennen, die ein aktives Einspeiseelement und eine Reihe paralleler Metallstäbe oder "Dipoldirektoren" umfassen.

Dieses Design, genannt Yagi-Uda-Antenne, ist eine sehr erfolgreiche Methode zur Übertragung von Funkwellen; die Größe eines jeden Dipols ist so ausgelegt, dass es auf Funkwellen bestimmter Wellenlängen reagiert und sie bei Bedarf lenkt.

"Damit Yagi-Uda-Antennen im optischen Wellenlängenbereich arbeiten können, müssen sie auf Nanometergrößen reduziert werden", sagte Ho. "Die meisten bisherigen Versuche basierten auf Metallen, die aber aufgrund der Absorption in das Metall erhebliche Verluste bei optischen Frequenzen aufweisen."

"Stattdessen verwendeten wir einen Dipol aus Goldquellen, der in einer Schleife konfiguriert war, gekoppelt mit Silizium-Direktoren." Es ist die Verwendung von plasmonischen (goldene Fliege) und dielektrischen (Siliziumdirektor) Strukturen, die zu der hybriden Natur der Nanoantenne führte.

Der elektrische Feldhotspot, der in der Mitte der Fliege entstand, als die Antenne in Betrieb war, verbesserte die fotolumineszierenden Eigenschaften des Goldes erheblich.

So konnten die Forscher die winzige Antenne abbilden und die Richtung des Lichtsignals manipulieren. Die Verwendung von Silizium-Direktoren bedeutete, dass die hohen Dipolstärken in der gesamten Antenne beibehalten wurden, noch dazu mit geringen Verlustleistungen.

"Indem wir mehrere nahe beieinanderliegende Dipole mit der richtigen Phasendifferenz anregten, verbesserten wir die Strahlung in die gewünschte Richtung durch destruktive und konstruktive Interferenzen", erklärte Ho. "Das verbesserte die Richtwirkung im Vergleich zu früheren Designs."

Der nächste Schritt des Teams ist die Realisierung einer Nanoantenne, die die Emissionsrichtung durch verschiedene elektrische Signale ändert. "Man stelle sich Nanoantennen-Arrays vor, die Licht in verschiedene Richtungen emittieren und hochauflösende Bilder erzeugen, die aus verschiedenen Blickwinkeln sichtbar sind", fügte Yang hinzu.

Schrifttum: Jinfa Ho et al. Highly Directive Hybrid Metal-Dielectric Yagi-Uda Nanoantennen, ACS Nano (2018). DOI: 10.1021/acsnano.8b04361

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