Scheinwerfer für die Nanowelt

Scheinwerfer für die Nanowelt

Chemnitzer Physikern gelangen erstmals Aufnahmen von winzigen Details in photonischen Kristallen.

Während der erste Transistor 1947 noch einige Zentimeter groß war, sind heute auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter viele Millionen Transistoren untergebracht. Doch diesem Trend sind physikalische Grenzen gesetzt. „Elektrische Leiterbahnen können nicht beliebig dicht gepackt werden“, erläutert Frank Cichos, Juniorprofessor für Photonik und optische Materialien an der Technischen Universität Chemnitz. Aus diesem Grund forscht ein von ihm geleitetes Team an neuen Nanomaterialien, in denen die Informationen mit Hilfe von Licht deutlich schneller übertragen werden sollen als in heutigen Computern. Lichtstrahlen können sich ohne „Kurzschluss“ durchdringen, weshalb schon heute Informationen etwa in Glasfaserkabeln sehr dicht gepackt werden können.

Abb.: (oben) Elektronenmikroskopische Aufnahme eines photonischen Kristalls aus Polymerkugeln mit 260 Nanometer Durchmesser. (unten) unscharfe Fluoreszenzabbildung einzelner Cadmiumselenid-Nanokristalle (Durchmesser: 3 Nanometer) , wobei der linke Nanokristall vom photonischen Kristall unbeeinflusst ist, der rechte jedoch in Blickrichtung des Beobachters kein Licht aussendet. (Quelle: TU Chemnitz/Institut für Physik)

Dem Chemnitzer Forscherteam ist es nun erstmals gelungen einen Blick in die Halbleiter für Licht - die so genannten photonischen Kristalle - zu werfen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Kristalle erlauben Licht auf kleinstem Raum einzufangen und zu transportieren. Mit ihnen kann man aber auch die Lichtabstrahlung von fluoreszierenden Stoffen manipulieren. „Das Interessante daran ist, dass der photonische Kristall das Aussenden von Licht einer bestimmten Farbe durch fluoreszierende Partikel nur in bestimmte Richtungen erlaubt oder sogar komplett verhindert“, erklärt Michael Barth, der als Diplomand maßgeblich an den Experimenten beteiligt war.

Die Schwierigkeit bei der Untersuchung photonischer Kristalle bestand bisher darin, dass man in komplexe dreidimensionale photonische Kristalle nicht hineinblicken konnte. Den Physikern Michael Barth, Roman Schuster, Achim Gruber und Frank Cichos ist dies nun - wie sie selbst sagen - auf verblüffend einfache Art und Weise gelungen. Die Forscher betteten dazu einzelne, wenige Nanometer kleine Partikel aus dem Halbleitermaterial Cadmiumselenid - so genannte Quantenpunkte - in einen photonischen Kristall aus Polymerkügelchen ein. Diese Quantenpunkte senden Licht aus und dienen so als winzige Scheinwerfer. Allerdings entscheidet der photonische Kristall in der direkten Umgebung der Quantenpunkte, in welche Richtungen dieses Licht ausgesandt wird. Um dieser Richtungsabhängigkeit auf die Spur zu kommen, benutzten die Forscher unscharfe Mikroskopieabbildungen (Abb.). In diesen ungewöhnlichen Bildern einzelner Quantenpunkte sind dabei alle wesentlichen Informationen über die Richtung der Lichtausbreitung im Kristall versteckt. „Damit ist es nicht nur erstmals möglich, einen Blick in die lokalen optischen Eigenschaften eines dreidimensionalen photonischen Kristalls zu werfen. Durch die Verwendung von einzelnen Quantenpunkten als Lichtquellen in diesen Materialien ergeben sich auch ganz neue Möglichkeiten für die Quanteninformationsverarbeitung“, so Frank Cichos. „Statt elektrischer Signale sollen künftig optische Signale durch die Schaltungen geleitet werden - und das etwa tausendmal schneller als bei herkömmlichen Computern“, ergänzt Michael Barth. Doch der Weg zu photonischen Prozessoren, die Informationen per Licht übertragen, ist noch lang.

Quelle: TU Chemnitz

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Michael Barth, Roman Schuster, Achim Gruber und Frank Cichos, Imaging Single Quantum Dots in Three-Dimensional Photonic Crystals, Phys. Rev. Lett. 96, 243902 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.243902 
• Institut für Physik, TU Chemnitz:
  http://www.physik.tu-chemnitz.de   
• Physical Review Letters:
  http://prl.aps.org