Photonik: Freier die Plasmonen nie schwingen
Optische Bauteile könnten Computer und Mikrochips sehr viel schneller machen. Doch lassen sich damit bislang keine Strukturen herstellen, die mit den überaus winzigen Dimensionen der Mikroelektronik mithalten können. Einem dänisch-französischen Forscherteam scheint dies nun ansatzweise zu gelingen.
Sollen möglichst hohe Datenmengen schnell von einem Ort zu einem anderen geschickt werden, kommt die Glasfasertechnik ins Spiel. So vermeldete kürzlich das Heinrich-Hertz-Institut der Fraunhofer-Gesellschaft einen neuen Rekord: Sie übertrugen mit einem Glasfaserkabel 2,56 Billionen Bit pro Sekunde, und zwar über eine Entfernung von 160 Kilometer. Damit hatten die Forscher in nur einer Sekunde den Inhalt von 60 voll beschriebenen DVDs durch das Kabel geschleust.
Angesichts dieser Leistungen träumen viele Entwickler von optischen Bauelementen, die ebenso auf Mikrochips ihre Dienste verrichten. Doch hat die Sache einen Haken: Das infrarote Licht, das beispielsweise in der Telekommunikationsbranche für die Informationsübertragung genutzt wird, hat eine Wellenlänge um 1,5 Mikrometer. Damit schwingen die Wellenkämme sehr viel weiter, als dass sie in so winzige Leiterbahnen gezwungen werden könnten, die heute bereits einen guten Halbleiterchip ausmachen. Diese haben oft nur Breiten von einigen hundert Nanometern. Mit gutem Grund fließen heute daher noch Elektronen von Transistor zu Transistor. Es macht bislang keinen Sinn zu versuchen, diese aktiven Bauelemente jeweils mit Glasfibern zu verbinden.
Doch wenn es nach Sergey Bozhevolnyi von der Universität Aalborg in Dänmark geht, soll sich das bald ändern. Zusammen mit Kollegen von der französischen Universität Louis Pasteur in Straßburg fräste er mit einem Ionenstrahl v-förmige Vertiefungen von wenig mehr als einem Mikrometer Breite in ein hauchdünnes Substrat aus Gold. Diese Rillen leiten nun Lichtsignale, obwohl sie dünner sind als die Wellenlänge des von den Forschern verwendeten infraroten Lichts. Das Zauberwort heißt kanalisierte, plasmonische Polaritonen. Das sind – wie es die Wissenschaftler ausdrücken – "junge Mitglieder einer ständig wachsenden Familie von kollektiven Oberflächenschwingungen", die durch elektromagnetische Wellen wie die des Lichts angeregt werden.
Selbst normales, sichtbares Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 750 Nanometern dringt beispielsweise etwa zehn Nanometer tief in ein Metall wie Gold ein. Dort zwingt es die frei beweglichen Elektronen an dessen Oberfläche zum Gleichtakt. Vereinfacht gesagt kann man diesen physikalischen Zustand folgendermaßen beschreiben: Außen Licht – innen schunkelnde Elektronen. Bei geeigneter Einstrahlrichtung und bei gewissen Frequenzen, die von der Beweglichkeit der Elektronen im jeweiligen Material abhängen, bleibt eine elektromagnetische Welle wegen des wiederholten Eintauchens des verwendeten Lichts in das Metall zudem geradezu an der Oberfläche des Metalls haften. Innerhalb dieser Fläche kann sich das Licht dagegen relativ frei bewegen, insbesondere wenn ihm geeignete Bahnen vorgezeichnet werden.
Um zu zeigen, dass sich diese Strukturen zugleich als optische Schaltelemente nutzen lassen, schufen die Wissenschaftler verschiedene Gebilde, darunter Strahlteiler sowie Ringe, die bei gewissen Frequenzen in Resonanz schwingen und daher – je nach deren Geometrie – bestimmte Wellenlängen verstärken, andere aber unterdrücken. Mit dieser Technik, so glauben die Experimentatoren, könnten dereinst Mikrochips gebaut werden, die direkt mit Licht arbeiten statt mit dem vergleichsweise trägen Elektronenfluss. Diese Ladungsträger braucht man dann gewissermaßen nur noch als eine Art Schaukel für das Licht.
Angesichts dieser Leistungen träumen viele Entwickler von optischen Bauelementen, die ebenso auf Mikrochips ihre Dienste verrichten. Doch hat die Sache einen Haken: Das infrarote Licht, das beispielsweise in der Telekommunikationsbranche für die Informationsübertragung genutzt wird, hat eine Wellenlänge um 1,5 Mikrometer. Damit schwingen die Wellenkämme sehr viel weiter, als dass sie in so winzige Leiterbahnen gezwungen werden könnten, die heute bereits einen guten Halbleiterchip ausmachen. Diese haben oft nur Breiten von einigen hundert Nanometern. Mit gutem Grund fließen heute daher noch Elektronen von Transistor zu Transistor. Es macht bislang keinen Sinn zu versuchen, diese aktiven Bauelemente jeweils mit Glasfibern zu verbinden.
Doch wenn es nach Sergey Bozhevolnyi von der Universität Aalborg in Dänmark geht, soll sich das bald ändern. Zusammen mit Kollegen von der französischen Universität Louis Pasteur in Straßburg fräste er mit einem Ionenstrahl v-förmige Vertiefungen von wenig mehr als einem Mikrometer Breite in ein hauchdünnes Substrat aus Gold. Diese Rillen leiten nun Lichtsignale, obwohl sie dünner sind als die Wellenlänge des von den Forschern verwendeten infraroten Lichts. Das Zauberwort heißt kanalisierte, plasmonische Polaritonen. Das sind – wie es die Wissenschaftler ausdrücken – "junge Mitglieder einer ständig wachsenden Familie von kollektiven Oberflächenschwingungen", die durch elektromagnetische Wellen wie die des Lichts angeregt werden.
Selbst normales, sichtbares Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 750 Nanometern dringt beispielsweise etwa zehn Nanometer tief in ein Metall wie Gold ein. Dort zwingt es die frei beweglichen Elektronen an dessen Oberfläche zum Gleichtakt. Vereinfacht gesagt kann man diesen physikalischen Zustand folgendermaßen beschreiben: Außen Licht – innen schunkelnde Elektronen. Bei geeigneter Einstrahlrichtung und bei gewissen Frequenzen, die von der Beweglichkeit der Elektronen im jeweiligen Material abhängen, bleibt eine elektromagnetische Welle wegen des wiederholten Eintauchens des verwendeten Lichts in das Metall zudem geradezu an der Oberfläche des Metalls haften. Innerhalb dieser Fläche kann sich das Licht dagegen relativ frei bewegen, insbesondere wenn ihm geeignete Bahnen vorgezeichnet werden.
Um zu zeigen, dass sich diese Strukturen zugleich als optische Schaltelemente nutzen lassen, schufen die Wissenschaftler verschiedene Gebilde, darunter Strahlteiler sowie Ringe, die bei gewissen Frequenzen in Resonanz schwingen und daher – je nach deren Geometrie – bestimmte Wellenlängen verstärken, andere aber unterdrücken. Mit dieser Technik, so glauben die Experimentatoren, könnten dereinst Mikrochips gebaut werden, die direkt mit Licht arbeiten statt mit dem vergleichsweise trägen Elektronenfluss. Diese Ladungsträger braucht man dann gewissermaßen nur noch als eine Art Schaukel für das Licht.
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