Gold und Silber für Lichtchips

  • 17. May 2017

Kombination der Metalle senkt effizient eine störende Wärmeentwicklung.

In Computern wird die neueste Tran­sistoren­generation Struktur­größen von nur zehn Nanometer aufweisen. Um in diesen Dimen­sionen noch schneller und auch energie­sparender zu werden, schalten und walten im Computer vermutlich bald Licht­teilchen statt Elektronen. Glasfaser­netze nutzen schon heute Licht, um Daten schnell und möglichst verlust­frei über weite Strecken zu trans­portieren. Die dünnsten Kabel besitzen jedoch Durch­messer im Mikro­meter-Bereich, denn die Licht­wellen mit Wellen­längen um einen Mikro­meter müssen unge­hindert schwingen können. Für die Daten­verarbeitung auf einem Mikro- oder gar Nanochip ist daher ein komplett anderes System nötig.

Abb.: Der Vermittler in der Mitte: ein Silber- zwischen zwei Gold-Nanopartikeln sorgt für die ultraschnelle und nahezu verlustfreie Weitergabe der Energie. (Bild: Liedl / Hohmann, NIM)

Abb.: Der Vermittler in der Mitte: ein Silber- zwischen zwei Gold-Nanopartikeln sorgt für die ultraschnelle und nahezu verlustfreie Weitergabe der Energie. (Bild: Liedl / Hohmann, NIM)

Eine Möglich­keit wäre, Licht­signale über Plasmonen­schwingungen weiterzu­leiten. Dabei regt ein Photon die Elektronen­wolke eines Gold-Nano­partikels zum Oszil­lieren an. Diese Wellen­bewegung pflanzt sich mit immerhin rund zehn Prozent der Licht­geschwindigkeit über eine Kette von Nano­partikeln fort. Somit sind zwei Ziele erreicht: Nano­meter-Dimen­sion und enorme Geschwindig­keit. Bleibt der Energie­verbrauch. Und der wäre im Fall einer reinen Gold-Kette durch starke Wärme­entwicklung ähnlich hoch wie in klas­sischen Tran­sistoren.

Tim Liedl, Professor für Physik an der LMU und Wissen­schaftler im Exzellenz­cluster Nano­systems Ini­tiative Munich (NIM), hat mit Kollegen von der Ohio Uni­versity entdeckt, wie Silber-Nano­partikel den Energie­verbrauch deutlich senken können. Die Physiker bauten eine Art Mini-Test­strecke von rund 100 Nano­metern Länge aus drei Nano­partikeln: Vorne und hinten je ein Gold-Nanopartikel und ein Silber-Nano­partikel genau in der Mitte. Das Silber dient hier als eine Art Ver­mittler zwischen den Gold­partikeln, ohne dass in ihm Energie verloren geht. Um das Plasmon des Silber­partikels in Schwingung zu versetzen, wäre eine höhere Anregungs­energie nötig als für Gold. Und so umfließt die Energie dieses Partikel lediglich. „Der Trans­port wird über die Kopplung der elektro­magnetischen Felder um die Hot Spots vermittelt, die jeweils zwischen den beiden Gold­partikeln und dem Silber­partikel entstehen“, erklärt Tim Liedl. „So kann die Energie fast verlust­frei weiter­gereicht werden und das auf der Femtosekundenskala.“

Ent­scheidende Voraus­setzung für die Versuche war das punkt­genaue Platzieren von Nanostrukturen. Erst die dazu angewandte „DNA-Origami-Methode“ ermög­licht es, ver­schiedene kris­tallin gewachsene Nano­partikel in defi­niertem Nano-Abstand neben­einander zu setzen. Bisherige Versuche dieser Art nutzten her­kömmliche Lithographie­techniken, die ins­besondere für verschieden­artige Metalle neben­einander nicht die notwendige räum­liche Präzision liefern.

Parallel zu den Expe­rimenten simu­lierten die Physiker den Versuch per Computer und fanden ihre Mess­ergebnisse bestätigt. Neben klassischen Elektro­dynamik­simulationen konnte Alexander Govorov von der ameri­kanischen Ohio Uni­versity in Athens auch ein einfaches quanten­mechanisches Modell aufstellen: „In diesem Modell stimmen das klassische und das quanten­mechanische Bild sehr gut überein.“

LMU / JOL

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