Konzentrierte Lichtwelle

Klimaforscher, Teilchenphysiker und Wissenschaftler, die das menschliche Gehirn verstehen wollen, eint ein Problem: Heutige Computer auf Basis von Silizium­chips sind für die umfangreichen Datensätze zu langsam. Eine Lösung könnten optische Technologien bieten, die mit Licht­geschwindigkeit arbeiten – doch die optischen Bauteile wären prinzip­bedingt riesig. Physikern der Universität Duisburg-Essen (UDE) ist es gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Stuttgart und Haifa (Israel) nun gelungen, durch einen Trick Licht in einen kleineren Fleck zu fokussieren, als man es eigentlich für möglich hielt.

Was passiert mit Licht, wenn wir es durch eine Linse wie eine Lupe leiten? So einfach funktioniert es leider nicht: Licht ist eben auch eine Welle. Hinter der Linse wird das Licht nicht genau auf einen einzigen Punkt fokussiert, bevor es wieder auseinanderläuft. „Wir sprechen eher von einer Strahl­taille“, erläutert Frank Meyer zu Heringdorf vom Sonder­forschungs­bereich 1242 „Nichtgleich­gewichts­dynamik kondensierter Materie in der Zeit­domäne" an der UDE.

Genau diese Strahltaille sollte für viele optische Bauteile so klein wie möglich sein. Bei Licht ist die Grenze nach unten aber genau durch die Wellenlänge festgelegt: Mit 800 Nanometern (nm) Wellenlänge schwingendes Licht wird minimal auf einen Fleck von knapp 400 Nanometern fokussiert – viel größer als die Halbleiter­bauelemente, wo mit Strukturen kleiner als 20 Nanometern gearbeitet wird. Um das Problem zu umgehen, arbeiten die Wissenschaftler stattdessen mit Elektronen­wellen, die sich ebenfalls nahezu mit Licht­geschwindigkeit bewegen, bei gleicher Frequenz aber eine kleinere Wellenlänge haben.

Dazu beschichtete die Gruppe in Stuttgart eine Unterlage aus Silizium mit einer nur rund 60 Nanometer hohen, atomar glatten Goldschicht. Regt man diese Schicht mit Licht von 800 Nanometern Wellenlänge an, werden die Elektronen im Gold in Schwingung versetzt und die Schwingung breitet sich an der oberen und unteren Oberfläche des Edelmetalls als Welle aus – ähnlich wie bei Wasser, in das man einen Stein geworfen hat. Messungen ergaben, dass die an der Goldunterseite entlang­laufenden Elektronen­wellen nur ein Dreizehntel der ursprünglich anregenden Licht­wellen­länge haben. Der Fokus­fleck ließ sich so auf einen Durchmesser von 60 Nanometern reduzieren.

UDE / DE