Licht mit Wespentaille

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 riesig. Forschern der Uni Duisburg-Essen ist es gemein­sam mit Kollegen der Unis Stutt­gart und Haifa jetzt 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? 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 von der Uni Duisburg-Essen. Genau diese Strahl­taille sollte für viele optische Bau­teile so klein wie möglich sein. Bei Licht ist die Grenze nach unten aber durch die Wellen­länge fest­ge­legt: Mit acht­hundert Nano­metern Wellen­länge schwin­gendes Licht wird minimal auf einen Fleck von knapp vier­hundert Nano­metern fokus­siert – viel größer als die Halb­leiter­bau­elemente, wo mit Struk­turen kleiner als zwanzig 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 sechzig Nano­meter hohen, atomar glatten Gold­schicht. Regt man diese Schicht mit Licht von acht­hundert 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. Messungen ergaben, dass die an der Gold­unter­seite ent­lang­laufen­den Elek­tronen­wellen nur ein Drei­zehntel der ursprüng­lich anre­genden Licht­wellen­länge haben. Der Fokus­fleck konnte so auf einen Durch­messer von sechzig Nano­metern redu­ziert werden.

UDE / RK