27.08.2019

Nano-Korkenzieher als Antennen

Winzige Silberantennen lassen sich mit hoher Präzision entwerfen.

Erstmals hat ein Team des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) mathematisch exakt formuliert, wie korkenzieherförmige Nano-Antennen mit Licht wechselwirken. Mit dem mathematischen Werkzeug lässt sich die jeweils geeignete Geometrie berechnen, die eine Nano-Antenne für konkrete Anwendungen in der Sensorik oder in der Informations­technologie besitzen muss. 
 

Abb.: Die Nano-Antennen werden im Elektronen­mikroskop mit direktem...
Abb.: Die Nano-Antennen werden im Elektronen­mikroskop mit direktem Elektronen­strahl­schreiben erzeugt. (Bild: HZB)

Die Nanostrukturen aus dem HZB-Team um Katja Höflich sind wie Korken­zieher geformt, sie bestehen aus Silber und sind etwa 100 Nanometer dick. Mathematisch lässt sich jede Nano-Antenne als nahezu eindimensionale Linie betrachten, die zu einer Helix verschraubt ist und durch Parameter wie Durchmesser, Länge, Windungs­zahl und Drehsinn der Helix gekennzeichnet werden kann.

Die Nano-Korkenzieher reagieren hochempfindlich auf Licht: Je nach Frequenz und Polarisations­richtung können sie es extrem verstärken. Weil helixförmige Antennen eine Chiralität aufweisen, können sie Lichtquanten entsprechend ihrer Händigkeit, also ihrem Spin, auswählen. Dadurch ergeben sich neuartige Anwendungen in der Informationstechnologie, die auf der Spinquantenzahl von Licht basieren. Eine weitere Anwendung kann in der Sensorik liegen: Helix-förmige Nano-Antennen könnten hoch­empfindlich auf bestimmte chirale Verbindungen (Moleküle mit Händigkeit) reagieren, bis hin zum Nachweis einzelner Moleküle. 

Üblicherweise wird die Wechselwirkung solcher Nano-Antennen mit einem elektro­magnetischen Feld mit numerischen Methoden mit hoher Genauigkeit bestimmt. Jede neue Geometrie erfordert jedoch eine neue aufwendige Berechnung. Das Team um Höflich hat das Problem jetzt erstmals mathematisch exakt gelöst „Wir haben nun eine Formel, die uns sagt, wie eine Nano-Antenne mit bestimmten Parametern auf Licht reagiert“, sagt Höflich. Diese analytische Beschreibung lässt sich als Design-Werkzeug nutzen: Denn sie besagt auch, wie eine Nano-Helix beschaffen sein muss, um elektromagnetische Felder bestimmter Frequenzen oder Polarisations­richtungen zu verstärken.

Die realen Nano-Antennen konnten die HZB-Forscher in einem Elektronen­mikroskop mit dem Verfahren des direkten Elektronen­strahl­schreibens erzeugen. Der Elektronenstrahl schreibt dafür Punkt für Punkt zunächst eine Kohlenstoff­struktur, die die Form einer Helix besitzt. Im Anschluss wird diese Struktur mit Silber beschichtet. Die gemessenen optischen Eigenschaften dieser Silber-Nano-Antennen stimmten mit den Berechnungen gut überein. 

HZB / DE

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