Stimulierte Brillouin-Streuung in einem Nanodraht

Schall und Licht können sich gegenseitig beeinflussen, wie schon in den 1920er Jahren der französische Physiker Léon Brillouin erkannte. Die experimentelle Bestätigung der Brillouin-Streuung folgte 1930. Auf der Grundlage der stimulierten Brillouin-Streuung gelang es nun belgischen Wissenschaftlern erstmals, Licht- und Hyperschallwellen gleichzeitig in einen Nanodraht aus Silizium zu bannen. Mit ihren Experimenten konnten sie die Wechselwirkung von Licht und akustischen Schwingungen nicht nur genauer untersuchen. Sogar die Umwandlung von Licht in Hyperschall und wieder in Licht könnte damit möglich werden. Damit wären photonische Bauteile möglich, die in der optischen Datenübertragung elegant die Ausbreitung von Lichtpulsen verzögern könnten.

Raphael Van Laer und seine Kollegen von der Universität Gent fertigten dazu mit lithografischen Methoden einen nur 450 millionstel Millimeter dünnen und wenige Millimeter langen Nanodraht aus Silizium. Dieser diente sowohl für Hyperschall – eine Bezeichnung für Ultraschall mit Frequenzen größer als 1000 Megahertz - als auch für Licht als effizienter Wellenleiter. Die Forscher strahlten nun Lichtwellen eines Infrarotlasers mit einer Wellenlänge von 1550 Nanometern auf den Nanodraht. Entlang seiner Oberfläche breiteten sich die Lichtwellen aus und regten dabei die Kristallstruktur des Nanodrahts zu akustischen Schwingungen mit einer Frequenz von 10 Gigahertz an.

Die akustischen Schwingungen traten dabei transversal entlang des Querschnitts des Nanodrahts auf und somit um 90 Grad zur Ausbreitungsrichtung des Lichts gedreht. Damit die Hyperschallwellen nicht entweichen konnten, lagerten die Forscher den Nanodraht auf einer spitz zulaufenden, länglichen Erhebung. Auf kleinstem Raum eingefangen – im Fachjargon als „confinement“ bezeichnet - beeinflussten sich Licht und die hochfrequenten akustischen Schwingungen wie erwartet gegenseitig. So konnte der Hyperschall die Wellenlänge des Lichts verändern und einzelne Spektralbereiche verstärken. „Zum Beispiel könnten nun Lichtpulse in Schallwellen und wieder zurück in Lichtpulse umgewandelt werden“, sagt Van Laer. Gelingt dieser Schritt, könnten technische Anwendungen für die optische Datenübertragung folgen.

Denn Schall breitet sich mit gut 8000 Metern pro Sekunde in Silizium um Größenordnungen langsamer aus als Licht. Mit Nanodrähten aus Silizium ließe sich so der optische Signaltransport nach Wunsch verzögern. In kompakter Bauweise auf einen Chip gesetzt könnten solche Verzögerungs-Module für eine verbesserte Kontrolle des Datentransfers über Glasfaser oder photonische Kristalle genutzt werden. Nach Aussage von Van Laer und Kollegen zeigen ihre Ergebnisse einen Weg zu einer vielseitigen Silizium-Phononik auf. Darüber hinaus schließen sie nicht aus, ihren Forschungsansatz auch auf noch kleinere Objekte wie Viren oder Erbgut-Moleküle ausweiten zu können. Denn auch diese organischen Partikel zeigen einzigartige akustische Schwingungen, aus deren Analyse sich dann genaue Strukturinformationen gewinnen ließen.

Jan Oliver Löfken

RK