Gold und Silber für Lichtchips
Kombination der Metalle senkt effizient eine störende Wärmeentwicklung.
In Computern wird die neueste Transistorengeneration Strukturgrößen von nur zehn Nanometer aufweisen. Um in diesen Dimensionen noch schneller und auch energiesparender zu werden, schalten und walten im Computer vermutlich bald Lichtteilchen statt Elektronen. Glasfasernetze nutzen schon heute Licht, um Daten schnell und möglichst verlustfrei über weite Strecken zu transportieren. Die dünnsten Kabel besitzen jedoch Durchmesser im Mikrometer-Bereich, denn die Lichtwellen mit Wellenlängen um einen Mikrometer müssen ungehindert schwingen können. Für die Datenverarbeitung auf einem Mikro- oder gar Nanochip ist daher ein komplett anderes System nötig.
Abb.: Der Vermittler in der Mitte: ein Silber- zwischen zwei Gold-Nanopartikeln sorgt für die ultraschnelle und nahezu verlustfreie Weitergabe der Energie. (Bild: Liedl / Hohmann, NIM)
Eine Möglichkeit wäre, Lichtsignale über Plasmonenschwingungen weiterzuleiten. Dabei regt ein Photon die Elektronenwolke eines Gold-Nanopartikels zum Oszillieren an. Diese Wellenbewegung pflanzt sich mit immerhin rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit über eine Kette von Nanopartikeln fort. Somit sind zwei Ziele erreicht: Nanometer-Dimension und enorme Geschwindigkeit. Bleibt der Energieverbrauch. Und der wäre im Fall einer reinen Gold-Kette durch starke Wärmeentwicklung ähnlich hoch wie in klassischen Transistoren.
Tim Liedl, Professor für Physik an der LMU und Wissenschaftler im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM), hat mit Kollegen von der Ohio University entdeckt, wie Silber-Nanopartikel den Energieverbrauch deutlich senken können. Die Physiker bauten eine Art Mini-Teststrecke von rund 100 Nanometern Länge aus drei Nanopartikeln: Vorne und hinten je ein Gold-Nanopartikel und ein Silber-Nanopartikel genau in der Mitte. Das Silber dient hier als eine Art Vermittler zwischen den Goldpartikeln, ohne dass in ihm Energie verloren geht. Um das Plasmon des Silberpartikels in Schwingung zu versetzen, wäre eine höhere Anregungsenergie nötig als für Gold. Und so umfließt die Energie dieses Partikel lediglich. „Der Transport wird über die Kopplung der elektromagnetischen Felder um die Hot Spots vermittelt, die jeweils zwischen den beiden Goldpartikeln und dem Silberpartikel entstehen“, erklärt Tim Liedl. „So kann die Energie fast verlustfrei weitergereicht werden und das auf der Femtosekundenskala.“
Entscheidende Voraussetzung für die Versuche war das punktgenaue Platzieren von Nanostrukturen. Erst die dazu angewandte „DNA-Origami-Methode“ ermöglicht es, verschiedene kristallin gewachsene Nanopartikel in definiertem Nano-Abstand nebeneinander zu setzen. Bisherige Versuche dieser Art nutzten herkömmliche Lithographietechniken, die insbesondere für verschiedenartige Metalle nebeneinander nicht die notwendige räumliche Präzision liefern.
Parallel zu den Experimenten simulierten die Physiker den Versuch per Computer und fanden ihre Messergebnisse bestätigt. Neben klassischen Elektrodynamiksimulationen konnte Alexander Govorov von der amerikanischen Ohio University in Athens auch ein einfaches quantenmechanisches Modell aufstellen: „In diesem Modell stimmen das klassische und das quantenmechanische Bild sehr gut überein.“
LMU / JOL
