Forschung & Entwicklung

Berechnung der Wechselwirkung von Nanoantennen mit Licht

Mathematisch lässt sich die jeweils geeignete Geometrie berechnen, die eine Nanoantenne für konkrete Anwendungen in der Sensorik oder in der Informationstechnologie besitzen muss.

Die Nanostrukturen aus dem Team um Katja Höflich vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sind wie Korkenzieher geformt, sie bestehen aus Silber und sind etwa 100 nm dick. Mathematisch lässt sich jede Nanoantenne als nahezu eindimensionale Linie betrachten, die zu einer Helix verschraubt ist und durch Parameter wie Durchmesser, Länge, Windungszahl und Drehsinn der Helix gekennzeichnet werden kann.

Die Nanokorkenzieher reagieren hochempfindlich auf Licht: Je nach Frequenz und Polarisationsrichtung können sie es extrem verstärken. Weil helixförmige Antennen eine Chiralität aufweisen, können sie Lichtquanten entsprechend ihrer Chiralität, also ihrem Spin, auswählen. Dadurch ergeben sich neuartige Anwendungen in der Informationstechnologie, die auf der Spinquantenzahl von Licht basieren. Eine weitere Anwendung kann in der Sensorik liegen: Helix-förmige Nanoantennen könnten hochempfindlich auf bestimmte chirale Verbindungen reagieren, bis hin zum Nachweis einzelner Moleküle.

Üblicherweise wird die Wechselwirkung solcher Nanoantennen mit einem elektromagnetischen Feld mit numerischen Methoden mit hoher Genauigkeit bestimmt. Jede neue Geometrie erfordert jedoch eine neue aufwendige Berechnung.

Das Team um Höflich hat das Problem jetzt erstmals mathematisch exakt gelöst. „Wir haben nun eine Formel, die uns sagt, wie eine Nanoantenne mit bestimmten Parametern auf Licht reagiert“, sagt Höflich. Diese analytische Beschreibung lässt sich als Designwerkzeug nutzen: Denn sie besagt auch, wie eine Nanohelix beschaffen sein muss, um elektromagnetische Felder bestimmter Frequenzen oder Polarisationsrichtungen zu verstärken.

Die realen Nanoantennen konnten die HZB-Forscher in einem Elektronenmikroskop mit dem Verfahren des direkten Elektronenstrahlschreibens erzeugen. Der Elektronenstrahl schreibt dafür Punkt für Punkt zunächst eine Kohlenstoffstruktur, die die Form einer Helix besitzt. Im Anschluss wird diese Struktur mit Silber beschichtet. Die gemessenen optischen Eigenschaften dieser Silber-Nanoantennen stimmten mit den Berechnungen gut überein.

von mn

Originalveröffentlichung:

[K. Höflich, T. Feichtner, E. Hansjürgen, C. Haverkamp, H. Kollmann, C. Lienau, M. Siles, Resonant behavior of a single plasmonic helix, Optica 6 (2019), DOI: 10.1364/OPTICA.6.001098]

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