Forschung -

Nanoantennen für den Datentransfer

Richtantennen wandeln elektrische Signale in Radiowellen um und senden diese gerichtet an einen Empfänger – mit geringer Sendeleistung und ohne unnötige Überlagerungen. Forschern ist es nun gelungen, dieses Prinzip auf nanometergroße Antennen zu übertragen, die Licht emittieren.

Die aus der Radiowellentechnik bekannten Richtantennen, sind auch für miniaturisierte Lichtquellen interessant, 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. Für die kurzen Wellenlängen von sichtbarem Licht, sind die Richtantennen allerdings auf Nanometergröße zu reduzieren.

Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg haben nun die Grundlage für diese Technik gelegt. Die Nano-Optik-Arbeitsgruppe von Professor Bert Hecht, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik 5, hat erstmals gerichtetes Infrarotlicht mithilfe einer elektrisch betriebenen Yagi-Uda-Antenne aus Gold erzeugt. Die Yagi-Uda-Antenne wurde in den 1920er-Jahren von den Japanern Hidetsugu Yagi und Shintaro Uda entwickelt.

„Eine Yagi-Uda-Antenne für Licht 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 dank gezielter Überlagerung der abgestrahlten Wellen mithilfe 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 Galliumionen beschossen und konnten auf diese Weise die Antennenform mit allen Reflektor- und Direktorelementen sowie die notwendigen Anschlussdrähte präzise aus hochreinen Goldkristallen ausfräsen“, erklärt 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 aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffekts überwinden können, sobald eine Spannung angelegt wird“, führt Kullock aus. Diese Ladungsbewegung erzeugt in der Antenne Schwingungen mit optischen Frequenzen, welche dank der speziellen Anordnung der Reflektor- und Direktorelemente gebündelt abgestrahlt werden.

Wie in der Radiowellentechnik legt die Anzahl der Antennenelemente auch bei der Lichtantenne die Richtungsgenauigkeit der Emission fest. „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.

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