10.01.2020 • Photonik

Nano-Antennen für den Datentransfer

Neu entwickelte Richtantennen für Licht ist nur achthundert Nanometer groß.

Richtantennen wandeln elektrische Signale in Radiowellen um und senden diese gerichtet an einen Empfänger – und das mit geringer Sendeleistung und ohne unnötige Überlagerungen. Dieses Prinzip, das in der Radiowellentechnik nützlich ist, könnte auch für miniaturisierte Lichtquellen interessant sein, schließlich findet nahezu die gesamte internetbasierte Kommunikation mit Hilfe von Licht statt. Richtantennen für Licht könnten nämlich dazu verwendet werden, Daten verlustarm und mit Lichtgeschwindigkeit zwischen verschiedenen Prozessorkernen auszutauschen. Damit Antennen auch mit den sehr kurzen Wellenlängen von sichtbarem Licht arbeiten, muss man die Größe solcher Richtantennen in den Nanometerbereich reduzieren. Die Grundlage für diese Technik haben Forscher der Uni Würzburg jetzt mit einer Pionierarbeit gelegt: Ihnen gelang erstmals die Erzeugung von gerichtetem Infrarotlicht mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Yagi-Uda-Antenne aus Gold.

Wie kann man sich eine Yagi-Uda-Antenne für Licht vorstellen? „Sie funktioniert im Wesentlichen wie ihre großen Geschwister im Radiobereich“, erklärt René Kullock von der Uni Würzburg. Dort werden durch das Anlegen einer Wechselspannung im Metall Elektronen zum Schwingen angeregt. Das führt dazu, dass die Antennen elektromagnetische Wellen abstrahlen. „Im Falle einer Yagi-Uda-Antenne geschieht dies jedoch nicht in alle Richtungen gleichmäßig, sondern durch die gezielte Überlagerung der abgestrahlten Wellen mit Hilfe spezieller Reflektor- und Direktorelemente“, so Kullock. „Dadurch kommt es zu konstruktiver Interferenz in einer Richtung und zu Auslöschung in allen anderen Richtungen.“ Dementsprechend könnte eine solche Antenne als Empfänger betrieben auch ausschließlich Licht aus der gleichen Richtung empfangen.

Die Gesetze der Antennentechnik auf nanometergroße Antennen zu übertragen, die Licht emittieren, ist technisch anspruchsvoll. Vor einiger Zeit konnten die Forscher der Uni Würzburg bereits zeigen, dass das Prinzip einer elektrisch getriebenen Lichtantenne funktioniert. Um nun aber eine relativ komplexe Yagi-Uda-Antenne herzustellen, mussten sie sich einiges Neues einfallen lassen. Erfolgreich waren sie am Ende mit einer ausgeklügelten Herstellungsprozedur. „Wir haben Gold mit Gallium-Ionen beschossen und konnten auf diese Weise die Antennenform mit allen Reflektor- und Direktorelementen sowie die notwendigen Anschlussdrähte präzise aus hochreinen Goldkristallen ausfräsen“, erklärt Bert Hecht von der Uni Würzburg.

In einem nächsten Schritt haben die Wissenschaftler in dem Treiberelement einen Nanopartikel aus Gold so positioniert, dass es einen Draht des Treiberelements berührt und zum anderen Draht einen Abstand von nur einem Nanometer einhält. „Dieser Spalt ist so schmal, dass Elektronen ihn auf Grund des quantenmechanischen Tunneleffekts überwinden können, sobald eine Spannung angelegt wird“, erklärt Kullock. Diese Ladungsbewegung erzeugt in der Antenne Schwingungen mit optischen Frequenzen, welche dank der speziellen Anordnung der Reflektor- und Direktorelemente gebündelt abgestrahlt werden.

Von der ungewöhnlichen Eigenschaft ihrer neuartigen Antenne, die Licht gerichtet abstrahlt, obwohl sie sehr klein ist, sind die Forscher besonders fasziniert. Denn wie bei der Radiowellentechnik wird bei der jetzt konstruierten Antenne die Richtungsgenauigkeit der Lichtemission durch die Anzahl der Antennenelemente festgelegt. „Damit haben wir die bislang kleinste elektrisch betriebene Lichtquelle der Welt gebaut, die Licht in eine bestimmte Richtung abstrahlen kann“, sagt Hecht. Bis zur Anwendungsreife ist aber noch einiges an Arbeit zu leisten. Zum einen müssen die Forscher an dem Gegenstück für den Empfang von Lichtsignalen arbeiten. Zum anderen müssen sie Effizienz und Stabilität erhöhen.

JMU / RK