Fortschritt in der Nano-Optik

In der Computertechnologie gelingt es schon seit Jahren nicht mehr, die Taktrate der klassischen Prozessoren zu erhöhen. Eine stärkere Rechnerleistung lässt sich nur noch durch Tricks erreichen, etwa durch die Verwendung mehrerer Prozessorkerne.

Die Forschung sucht darum nach neuartigen Konzepten. Vielversprechend erscheinen optische Schaltkreise, die mit Lichtteilchen (Photonen) arbeiten – auch weil sie sich vermutlich für die Übertragung von Daten zwischen Quantencomputern eignen. Solche superschnellen Rechner gibt es zwar noch nicht, aber an ihrer Realisierung wird weltweit geforscht.

Optisches Signal im Nanobereich übertragen

Einen grundlegenden Schritt hin zu optischen Schaltkreisen haben die Arbeitsgruppen der Professoren Bert Hecht und Tobias Brixner an der Universität Würzburg gemacht: Die Wissenschaftler schafften es, ein Lichtsignal über eine Antenne in einen Wellenleiter einzuspeisen und es am anderen Ende über eine zweite Antenne wieder abzugeben.

Das Besondere daran: Die Übertragung des optischen Signals gelang den Forschern in winzigen Strukturen, die in die heutige Mikroelektronik integrierbar sind: Antennen und Wellenleiter messen jeweils nur wenige hundert Nanometer. In solch kleinen Dimensionen kann man Photonen normalerweise nicht handhaben: „Sie lassen sich nur äußerst ungern in enge Räume zwingen“, erklärt Hecht. „Darum ist es bislang auch schwierig, photonische Technologien mit Siliziumtechnologien zu kombinieren, wie sie üblicherweise auf Chips verwendet werden.“

Erfolg mit schwingenden Plasmonen

Wie ist den Forschern dann die Bändigung der Photonen geglückt? Sie setzten nicht auf freie, sondern auf gebundene Photonen. Die entstehen unter bestimmten Bedingungen an der Oberfläche von gut leitenden Metallen wie Gold. Dort eintreffendes Licht kann Elektronenschwingungen erzeugen, so genannte Plasmonen, die sich fortbewegen und an einer anderen Stelle wieder Licht abstrahlen. Plasmonen verhalten sich ähnlich wie freie Photonen, lassen sich aber auf sehr kleine Räume konzentrieren.

Den weltweit ersten einfachen Plasmonen-Schaltkreis haben die Würzburger Forscher vor kurzem im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ präsentiert. Er besteht aus einer rund 200 Nanometer langen Antenne, die mit hoher Effizienz freie Photonen einfängt und in Plasmonen umwandelt. An dieser Lichtantenne hängt ein Plasmonenleiter aus zwei feinen Golddrähten, die etwa drei Mikrometer lang sind und parallel zueinander verlaufen. Darauf können sich die Ladungswellen in genau zwei definierten Mustern ausbreiten – dieses Phänomen kann in Zukunft eingesetzt werden, um die Bewegungsrichtung der Plasmonen zu steuern, was mit Elektronen so nicht möglich ist.

Starke Abschwächung im Schaltkreis

In dem Fachjournal zeigen die Würzburger Forscher zunächst, wie die beiden Ladungswellenmuster angeregt werden und wie man die Anregung im Experiment nachweist. Aber noch werden die Plasmonen auf ihrem Weg durch den Schaltkreis stark abgeschwächt. „Dieses Problem gilt es zu lösen, bevor das Prinzip in die Nähe der technischen Anwendbarkeit gelangen kann“, so Hecht.

Die Physiker sind sich bewusst, dass sie nur einen kleinen Schritt hin zu kompletten optischen Schaltkreisen gemacht haben. „Doch unsere Ergebnisse bilden mit eine Grundlage dafür, dass plasmonische Wellenleiter auch in Zukunft ein hoch spannendes Forschungsgebiet bleiben“, so Hecht.

“Multimode plasmon excitation and in-situ analysis in top-down fabricated nanocircuits”, Peter Geisler, Gary Razinskas, Enno Krauss, Xiao-Fei Wu, Christian Rewitz, Philip Tuchscherer, Sebastian Goetz, Chen-Bin Huang, Tobias Brixner, and Bert Hecht, Phys. Rev. Lett. 111, 183901 (2013), DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.183901

Kontakt

Prof. Dr. Bert Hecht, Physikalisches Institut, Universität Würzburg, T (0931) 31-85863, hecht@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Tobias Brixner, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Universität Würzburg, T (0931) 31-86330, brixner@phys-chemie.uni-wuerzburg.de