Lichttransmission durch Nanolöcher

Treffen Lichtwellen auf eine Öffnung, die kleiner als ihre Wellenlänge ist, kann maximal ein kleiner, diffus gestreuter Anteil durchdringen. Diese geringe Transmission erhöht sich um Größenordnungen, sobald genügend Öffnungen in einem symmetrischen Raster angeordnet werden. Bisher machten Physiker Plasmonen für dieses vor 15 Jahren entdeckte Phänomen der außerordentlichen optischen Transmission (EOT - extraordinary optical transmission) verantwortlich. Doch wie nun niederländische Physiker nachweisen konnten, spielen zusätzlich quasi-zylindrische Wellen für diese Lichtausbreitung im Nanobereich eine zentrale Rolle. Ihre neuen Erkenntnisse könnten in Zukunft viel zur Entwicklung von optoelektronischen Bauteilen und Sensoren beitragen.

„Es ist eine Herausforderung, die optischen Prinzipien von durchlöcherten Metallschichten zu verstehen“, sagt Frerik van Beijnum vom Huygens-Labor an der Universität Leiden. Und bisher beruhe die Entwicklung dieser Strukturen vielfach auf „Versuch und Irrtum“. Zusammen mit seinen Kollegen analysierte van Beijnum das Verhalten der Lichtwellen in Abhängigkeit von der Transmission detaillierter. So konnten sie über genaue Messungen der Lichtwellen vor und hinter einer durchlöcherten Metallschicht auf die Prozesse bei der Lichtausbreitung zurückschließen.

Dazu ordneten sie Dutzende von Nanolöchern mit Durchmessern von unter 300 Nanometern in einer elektrisch leitfähigen Schicht aus Gold und Chrom an. Dabei varrierten sie sowohl die Anzahl der Löcher als auch deren Abstände zueinander. Auf diese Schicht strahlten sie Infrarot-Licht mit etwa 750 Nanometer langen Wellen und zeichneten genau das Spektrum der transmittierten Lichts auf. Je größer die Abstände von 750 Nanometern bis zu wenigen Mikrometern zwischen den Löchern waren, desto mehr verschob sich das Maximum der durchgedrungenen Lichtwellen zu kleineren Wellenlängen. Zudem erreichte die Intensität des Lichts die höchsten Werte, wenn die Lochabstände im gleichen Bereich wie die Wellenlänge selbst lagen.

Für dieses Verhalten reichte das bisherige Modell von angeregten Schwingungszuständen – den Oberflächenplasmonen – in der Metallschicht nicht aus. Zur Erklärung diente van Beijnum und Kollegen jedoch ein bisher rein theoretischen Modell, in dem die mikroskopische Lichtbrechung und -transmission von einer Komponente aus sogenannten quasi-zylindrischen Wellen unterstützt werden könnte. Beide Effekte zusammen – Plasmonen und Zylinderwellen – lieferten Werte in guter Übereinstimmung mit den Experimenten.

Diese Messungen und Analysen werden nicht nur die EOT-Diskussion unter Physikern weiter beleben. Van Beijnum ist davon überzeugt, dass nun auch neue optische Module durch eine geschickte Anordnung von Nanolöchern leichter entwickelt werden könnten. Anwendungen wären beispielsweise beim Bau von Lichtchips, die Daten via Lichtwellen verarbeiten, oder bei hoch empfindlichen, optischen Sensoren vorstellbar.

Jan Oliver Löfken

OD