Nanoantenne leuchtet elektrisch

Winzige elektrisch betriebene Lichtquellen werden zukünftig von Nutzen sein – zum Beispiel in den Displays von Smartphones. Dort dürfte wegen der zunehmenden Einbindung von 3D-Techniken die benötigte Pixeldichte rapide ansteigen. Auch auf Computer­chips könnten Nano­licht­quellen verwendet werden, um Daten verlustarm mit Lichtgeschwindigkeit zwischen verschiedenen Prozessor­kernen auszutauschen. Einen Weg zu solchen Lichtquellen zeigen Würzburger Physiker mit einer Pionierarbeit auf: Sie beschreiben erstmals die Erzeugung von Licht mit einer elektrisch betriebenen Nanoantenne aus Gold. Realisiert wurde die Antenne in der Arbeits­gruppe von Bert Hecht und am Lehrstuhl für Technische Physik.

Wie kann man sich eine Lichtantenne vorstellen? „Sie funktioniert im Wesentlichen wie ihre großen Geschwister im Mobilfunk“, erklärt Bert Hecht: Dort werden durch das Anlegen einer Wechsel­spannung im Metall Elektronen zum Schwingen angeregt. Das führt dazu, dass die Antennen elektro­magnetische Wellen abstrahlen – und das nicht irgendwie, sondern in einer durch die Gestalt der Antenne genau definierten Form und Wellenlänge.

Die Gesetze der Antennen­technik im Nanobereich auf Licht zu übertragen, ist technisch anspruchsvoll. Die Würzburger Physiker mussten sich darum etwas einfallen lassen. Erfolgreich waren sie am Ende mit einer ausgeklügelten Nanostruktur: Ihre Licht­antenne hat zwei Arme, die jeweils mit einem Kontaktdraht versehen sind und deren Enden sich fast berühren. Der winzige Raum zwischen den Armen ist mit einem Nanopartikel aus Gold präpariert, das den einen Arm berührt und zum anderen Arm einen Spalt von ungefähr einem Nanometer lässt. Der Spalt ist so schmal, dass Elektronen ihn aufgrund des quanten­mechanischen Tunnel­effekts beim Anlegen einer Spannung überwinden können. Dadurch werden Schwingungen mit optischen Frequenzen erzeugt.

Die so konstruierte Antenne strahlt elektro­magnetische Wellen als sichtbares Licht aus. Dabei wird die Farbe des Lichts durch die Länge der Antennenarme festgelegt. „Damit haben wir die bislang kompakteste elektrisch betriebene Lichtquelle der Welt gebaut, deren Eigenschaften sich zudem noch durch eine Anpassung der Antennen­geometrie steuern lassen“, freut sich Hecht.

Prinzipiell lassen sich solche Antennen also bauen, doch bis zur Anwendungs­reife ist noch Arbeit zu leisten. Zum einen müssen die Physiker weiter an der Effizienz feilen: Beim Betrieb der Licht-Antenne geht noch zu viel Strom in Form von Wärme verloren. Zum anderen muss die Betriebs­stabilität erhöht werden, denn bislang funktioniert die goldene Nanostruktur nur einige Stunden lang.

U. Würzburg / DE