Oberflächlicher Lichtleiter

News: Oberflächlicher Lichtleiter

Zukünftige Mikrochips arbeiten vielleicht mit Licht anstelle von Elektronen - und das vermutlich richtig schnell. Für diese Zwecke schienen so genannte photonische Kristalle bislang das Material der Wahl zu sein. Allerdings sind derartige Strukturen mit ihren besonderen optischen Eigenschaften nicht leicht herzustellen, und deshalb könnte eine andere Idee den Vorzug erhalten. Bei dieser ist die Struktur den photonischen Kristallen zwar sehr ähnlich, jedoch viel leichter zu formen: Wissenschaftler in Dänemark stellten eine hügelige Goldoberfläche her, über die sie Licht beliebig leiten konnten.

Thorsten Krome

Nichts bewegt sich schneller als Licht. Deshalb liebäugeln Wissenschaftler und Ingenieure auch mit optischen Bauelementen für zukünftige schnellere Computer. Auf ihrer Suche nach geeigneten Materialen, die als Schalter, Lichtleiter oder Steuerelement taugen könnten, stießen sie auf die photonischen Kristalle. Dabei handelt es sich um kristallähnliche, periodische Anordnungen dielektrischer Strukturen, deren Gitterkonstanten im Bereich der Lichtwellenlänge liegen. Das können beispielsweise regelmäßig eingebaute Fremdatome in Silizium oder ein periodisches Muster reflektierender Zonen in einem anderen Festkörper sein.

Jedenfalls haben diese künstlich hergestellten "Kristalle" hinsichtlich Photonen ähnliche Eigenschaften wie Halbleitermaterialien bezüglich Elektronen und Löchern. Insbesondere lassen sich so genannte Bandlücken im Energiespektrum der Photonen erzeugen, was dazu führt, dass Licht bestimmter Wellenlängen nicht durch den Kristall wandern darf. Entfernt man das Muster auf einem Pfad durch das Material, so kann ein photonischer Kristall wie ein Lichtwellenleiter arbeiten und Licht sogar um die Ecke leiten.

Leider ist es gar nicht einfach, derartig hochwertige Kristalle herzustellen, sodass Forscher nach einer anderen Möglichkeit Ausschau hielten, Licht auf gewünschte Weise zu manipulieren. Wie es scheint, haben Sergey Bozhevolnyi von der Aalborg University und seine Kollegen eine Alternative gefunden. Die Wissenschaftler stellten auf einer Goldoberfläche eine Gitterstruktur aus unzähligen, 200 Nanometer großen Goldhügelchen her, die jeweils im Abstand von 400 Nanometern angeordnet waren, und die eine ähnliche optische Struktur wie die Kristalle aufwiesen. Die Forscher ließen aber auch einige Streifen frei von Hügelchen, sodass die so entstandenen Kanäle als Lichtwellenleiter dienen konnten.

Indem sie das Material mit einem Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 782 Nanometern bestrahlten, erzeugten sie so sogenannte Oberflächen-Plasmonen-Polaritonen (SPP). Dabei handelt es sich um elektromagnetische Wellen, die an Oberflächen-Metallelektronen koppeln. Diese SPPs breiteten sich tatsächlich, wie gewünscht, in den Gräben aus und ließen sich anschließend mit einem optischen Nahfeldmikroskop (SNOM) detektieren. Innerhalb der periodischen Struktur pflanzten sich die SPPs jedoch nicht fort, wie die Rasteraufnahmen des SNOMS an diesen Stellen zeigten.

Offensichtlich hängt der Effekt aber auch stark von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und der Kanalbreite ab. Theoretische Arbeiten beschreiben dieses Problem noch nicht sehr ausführlich, wie Bozhevolnyi feststellt. William Barnes von der University of Exeter ist sich sicher, dass die photonischen SPP-Strukturen wichtig für Bauteile in der Zukunft sind. Die Frage, wie die Plasmonen und die periodische Struktur miteinander wechselwirken, wäre aber noch zu beantworten.