Forschung & Entwicklung

Nanoantennen liefern Femtosekundenpulse für Optoelektronik

Wenige Nanometer großer Metallantennen, die ultrakurze, elektrische Pulse auf einem Chip erzeugen, ermöglichen die Entwicklung neuer, leistungsstarker Terahertzkomponenten.

Die klassische Elektronik ermöglicht Frequenzen bis etwa 100 Gigahertz, die Optoelektronik nutzt elektromagnetische Phänomene ab zehn Terahertz. Der Bereich dazwischen gilt als sogenannte Terahertzlücke, da Bauelemente zur Signalerzeugung, Umwandlung und Detektion in diesem Bereich bislang extrem schwierig zu realisieren sind.

Den Physikern Alexander Holleitner und Reinhard Kienberger von der TU München (TUM) ist es mithilfe winziger, sogenannter plasmonischer Antennen gelungen, elektrische Pulse im Frequenzbereich von bis zu zehn Terahertz zu generieren und über einen Chip laufen zu lassen. Der Form der Antennen kommt eine wichtige Bedeutung zu. Sie sind asymmetrisch, eine Seite der nanometergroßen Metallstrukturen ist spitzer als die andere. Regt ein über eine Linse fokussierter Laserpuls die Antennen an, emittieren sie an ihrer spitzen Seite mehr Elektronen als an der gegenüberliegenden flachen. Zwischen den Kontakten fließt ein elektrischer Strom – aber nur solange die Antennen mit dem Laserlicht angeregt werden.

„Bei der Fotoemission werden Elektronen, durch den Lichtpuls ausgelöst, aus dem Metall in das Vakuum ausgesendet“, erklärt Christoph Karnetzky von der TUM. Alle Lichteffekte sind auf der spitzen Seite stärker, auch die Fotoemission, mit deren Hilfe ein kleiner Strom generiert wird. Die Lichtpulse waren nur wenige Femtosekunden lang, entsprechend kurz waren auch die elektrischen Pulse in den Antennen. Technisch ist der Aufbau interessant, weil die Nanoantennen in mehrere Millimeter große Terahertzschaltkreise integriert werden konnten. Ein Femtosekundenlaserpuls mit einer Frequenz von 200 Terahertz könne in den Schaltkreisen auf dem Chip ein ultrakurzes Terahertzsignal mit einer Frequenz von bis zu 10 Terahertz erzeugen, so Karnetzky.

Als Chip-Material verwendeten die Forscher Saphir, weil es sich optisch nicht anregen lässt und deshalb keine Störung verursacht. Im Hinblick auf zukünftige Einsatzmöglichkeiten setzten sie Laser mit einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern ein, wie sie in herkömmlichen Internetglasfaserkabeln genutzt werden.

Holleitner und seine Kollegen machten noch eine weitere erstaunliche Entdeckung: Sowohl die elektrischen als auch die Terahertzpulse hingen nichtllinear von der Anregungsleistung des benutzten Lasers ab. Dies deutet darauf hin, dass die Fotoemission in den Antennen durch die Absorption von mehreren Photonen pro Lichtpuls ausgelöst wird. „Derart schnelle, nichtlineare on-chip Pulse gab es bisher noch nicht“, sagt Alexander Holleitner, und hofft, mithilfe dieser noch schnellere Tunnelemissionseffekte in den Antennen entdecken und auch für Chipanwendungen nutzen zu können.

Die Experimente wurden mit Mitteln des European Research Council (ERC) im Rahmen des Projekts ‚NanoREAL‘ und des DFG Exzellenzclusters ‚Nanosystems Initiative Munich‘ (NIM) finanziell gefördert.

Originalveröffentlichung:

[C. Karnetzky, P. Zimmermann, C. Trummer, C. Duque-Sierra, M. Wörle, R. Kienberger, A. Holleitner, Towards femtosecond on-chip electronics based on plasmonic hot electron nano-emitters, Nat. Commun. 9 (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-04666-y]

von mn

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