Perfekter Siliziumspiegel

Wissenschaftler haben in die Oberfläche eines Siliziumkristalls ein speziell strukturiertes Nano-Gitter geätzt.

Für hoch präzise Experimente insbesondere in der Quantenoptik und Gravitationswellenforschung werden optische Spiegel benötigt, die Licht möglichst effizient reflektieren. Um die erforderliche hohe Reflektivität zu erreichen, wird herkömmlich ein geschliffener Kristall oder poliertes Quarzglas mit mehreren Schichten optisch unterschiedlicher Materialien bedampft. Der Nachteil dieser Methode: Das Beschichtungsmaterial weist eine besonders starke Brownsche Bewegung auf. Daher wird bei einer Messung dem eigentlichen Signal ein thermisches Hintergrundrauschen überlagert, das die Messgenauigkeit einschränkt.

Abb.: Eingravierte Oberflächennanostruktur des Siliziumspiegels. (Bild: IAP/FSU Jena)

Mit dem Ziel, das störende Rauschen auszuschalten, haben Daniel Friedrich und Frank Brückner in den Arbeitsgruppen von Roman Schnabel (Institut für Gravitationsphysik, Leibniz Universität Hannover und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Hannover) und Andreas Tünnermann (Institut für Angewandte Physik, Friedrich-Schiller-Universität Jena und Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, Jena), die folgende Methode angewendet: In die Oberfläche eines Siliziumkristalls haben sie ein Nano-Gitter eingraviert.

Diese Gitterstruktur fungiert für Licht einer bestimmten Wellenlänge, in diesem Fall Infrarotstrahlung bei 1550 nm, als resonanter Wellenleiter: Senkrecht einfallendes Licht wird durch die Gittergeometrie in mehrere Teilstrahlen gebeugt, die sich anschließend überlagern. Bei dieser besonderen Oberflächenstruktur tritt konstruktive Interferenz jedoch nur in Rückwärtsrichtung auf. Lichtstrahlen, die in anderen Richtungen verlaufen, löschen sich gegenseitig aus. Summa summarum führt dies praktisch zu einer perfekten Reflexion. „Das ist ein ganz ähnlicher Effekt, wie er von bestimmten Schmetterlingsarten bekannt ist. So schillern die Flügel der Morpho-Schmetterlinge deshalb so glänzend blau, weil ihre Flügeloberfläche ebenfalls mit einer periodischen Nano-Struktur versehen ist, die bestimmte Farben des einfallenden Lichts selektiv reflektiert“, erklärt Frank Brückner.

Die im Experiment erreichte Reflektivität beträgt exakt 99,8%, aber bis zu 100% sind theoretisch möglich. Glatt poliert würde ein Siliziumkristall die Infrarotstrahlung unter senkrechtem Einfall nur bis zu 30% reflektieren. Damit ersetzt das Nano-Gitter die Beschichtung mit Materialien unterschiedlicher Brechungsindizes.

„Mit dem Verzicht auf die optischen Beschichtungen sollte auch das durch das Coating bedingte thermische Rauschen verschwinden. Bei Messprozessen am Quantenlimit zählt dieses Rauschen zu den wichtigsten Störquellen und setzt die Empfindlichkeit der Messung deutlich herab“, so Daniel Friedrich. Um zu prüfen , dass das thermische Rauschen durch die speziell bearbeitete Kristalloberfläche tatsächlich ausreichend eingedämmt werden kann, bauen die Wissenschaftler ihren neuartigen Siliziumspiegel demnächst in ein hochempfindliches, 10 m großes Interferometer ein, das an der Universität Glasgow betrieben wird. Messungen sollen zeigen, dass mit den neuen Spiegeln die Interferometerempfindlichkeit noch gesteigert wird. Anschließend soll die neue Technik auch bei den großen, mehrere Kilogramm schweren Spiegeln im Gravitationswellendetektor GEO600 in Ruthe bei Hannover zum Einsatz kommen. Die neue Technologie lässt sich aber auch zum „Verspiegeln“ winziger Schwingkristalle einsetzen. Bei kalten Temperaturen könnte dann die Brownsche Bewegung so stark reduziert werden, dass man hofft, die durch Heisenbergs Unschärferelation beschriebene quantenmechanische Ortsunschärfe des Schwingkristalls direkt mit Laserlicht beobachten zu können.

Die Arbeit ist im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs TR7 „Gravitationswellenastronomie“ entstanden.

Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik Hannover/Leibniz Universität Hannover/Friedrich-Schiller-Universität Jena/KP