Optische Nanoantenne

Eine neu entwickelte winzige optische Dipolantenne kann kurze Laserpulse sehr effizient einfangen und zur Verstärkung weiterleiten.

Basel (Schweiz) - So wie Funkwellen von Radioantennen eingefangen werden, können winzige Goldstreifen auch einstrahlendes Licht besser aufnehmen. Schweizer Physiker entwickelten dazu nun eine Nanoantenne, die kurze Infrarotpulse eines Lasers bis zu zehnmal effizienter einfangen und zur Anregung von Elektronen in eine Glasunterlage weiterleiteten. Ihre Ergebnisse, die für bessere Weißlicht-Lichtquellen in der Nahfeldspektroskopie winziger Proben genutzt werden könnte, präsentieren sie in der Fachzeitschrift "Science". So können die Antennen in der Biologie und Medizin eingesetzt werden, um detailgenaue Bilder von Zellen und deren Organellen zu erzeugen.

"Dipol-Antennen aus Gold können so gestaltet und gebaut werden, dass sie optischen Wellenlängen entsprechen", schreiben Peter Mühlschlegel und seine Kollegen von Institut für Physik an der Universität Basel. Rangieren Radioantennen im Meterbereich, bewegen sich die optischen Goldantennen zwischen 190 und 400 Nanometer. Dabei sammeln sie elektromagnetische Strahlung, konzentrieren sie und leiten sie weiter. Damit eine Antenne ihre Aufgabe effizient erfüllen kann, muss ihre Grösse etwa der halben Wellenlänge der Strahlen angepasst sein. Für diesen Resonanz-Fall sind auch die Goldstreifen analog zu Radioantennen durch einen etwa 20 Nanometer breiten Graben voneinander getrennt. Das Ergebnis ist ein optisch resonanter Dipol. Dieser Graben, der die Antenne in zwei gleich lange Arme teilt, dient dann als Ort der Feldkonzentration.

Im Vergleich zu bisher verwendeten Goldstreifen, lässt sich mit diesem Graben die Effektivität der Lichtantennen um den Faktor 10 erhöhen. Die Antenne bündelt dabei infrarotes Licht und erzeugt über nichtlineare Prozesse in den Goldstreifen und dem unterliegenden Glasträger ein breites Spektrum von Farben, die in ihrer Gesamtheit als weißes Licht beobachtet werden können. Nur Antennen, deren Länge exakt auf die eingestrahlte Wellenlänge abgestimmt war, konnten dieses weiße Licht erzeugen.

Abb.: Werden Nanometer kleine Goldstreifen als optische Dipolantennen angeordnet (Mitte), lässt sich die Aussendung von weißem Licht nach einer Anregung mit Picosekunden-Laserpulsen verstärken. (Quelle: Uni Basel)

Zur Herstellung nutzten Mühlschlegel und Kollegen die Elektronenstrahl-Lithographie, um kleine Goldrechtecke zu präparieren und diese mit einer Ionensäge präzise auf die gewünschte Grösse zuzuschneiden. Das anregende Licht bei 830 Nanometer Wellenlänge lieferte ein Laser, der mit einer Rate von 80 Megahertz acht Picosekunden kurze Pulse auf die Dipolantenne einstrahlte. „Wir haben mit dieser Arbeit gezeigt, dass das Prinzip der Antenne auch auf Licht übertragbar ist“, sagt Projektleiter Bert Hecht. Jetzt könnten vielfältige Anwendungen folgen.

So sind Nanolichtquellen geeignet, Rasterbilder zu erzeugen, die Details im Bereich von wenigen Nanometern zeigen. Dies ist besonders für biologische und medizinische Fragestellungen von Interesse. Hecht und sein Team denken jedoch auch an eine Nutzung in der Kommunikation mittels Licht, möglicherweise unter Ausnutzung der Eigenschaften von einzelnen Photonen. Nicht zuletzt seien auch optische Pinzetten vorstellbar, die Viren oder einzelne große Moleküle mit Hilfe von Licht einfangen und dann gezielt bewegen oder verändern.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  P. Mühlschlegel et al., Resonant Optical Antennas, Science 308, 1607 (2005). 
• Kommentar: 
  J-J Greffet, Nanoantennas for Light Emission, Science 308 (2005). 
• Universität Basel: 
  http://www.unibas.ch 
• Institut für Physik: 
  http://www.physik.unibas.ch 
• Gruppe für Nano-Optik: 
  http://www.nano-optics.ch 
• Nanocale Science an der Universität Basel: 
  http://www..nccr-nano.org 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema optische Antennen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Optik.

Weitere Literatur:

• P. J. Schuck et al., Phys. Rev. Lett. 94, 017402 (2005). 
• P. Lodahl et al., Nature 430, 654 (2004). 
• M. Thomas et al., Appl. Phys. Lett. 85, 3863