Forschung & Entwicklung

Nanoantennen für den Datentransfer

Eine nur 800 nm große Antenne ermöglicht, auf engstem Raum elektrische Signale in Photonen umzuwandeln und diese gerichtet abzustrahlen.

Richtantennen wandeln elektrische Signale in Radiowellen um und senden diese 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 nämlich 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: Sie beschreiben sie erstmals die Erzeugung von gerichtetem Infrarotlicht mithilfe einer elektrisch betriebenen Yagi-Uda-Antenne aus Gold. Realisiert wurde die Antenne in der Nano-Optik-Arbeitsgruppe von Professor Bert Hecht von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Wie kann man sich eine Yagi-Uda-Antenne für Licht vorstellen? „Sie 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 geschehe dies jedoch nicht in alle Richtungen gleichmäßig, sondern durch die gezielte Überlagerung der abgestrahlten Wellen mithilfe spezieller, sogenannter Reflektor- und Direktorelemente. 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. Um eine relativ komplexe Yagi-Uda-Antenne herzustellen, haben die Forscher Gold mit Galliumionen beschossen. Auf diese Weise konnten sie die Antennenform mit allen Reflektor- und Direktorelementen sowie die notwendigen Anschlussdrähte präzise aus hochreinen Goldkristallen ausfräsen.

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 auf Grund 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. Wie in der Radiowellentechnik wird bei der jetzt konstruierten Antenne die Richtungsgenauigkeit der Lichtemission durch die Anzahl der Antennenelemente festgelegt. „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.

von mn

Originalveröffentlichung:

[R. Kullock, M. Ochs, P. Grimm, M. Emmerling, B. Hecht, Electrically-driven Yagi-Uda antennas for light, Nat. Commun. 11 (2020), DOI: 10.1038/s41467-019-14011-6]

www.uni-wuerzburg.de

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