Optische Richtantenne

  • 16. December 2014

Array aus Nanopartikeln lenkt Licht vor­zugs­weise in eine be­stimm­te Rich­tung.

Von der Glühbirne zur LED – die Entwicklung moderner Leucht­mittel zeichnet ein beruhigendes Bild stetig wachsender Effizienz. Ein grund­legendes Problem ist ihnen jedoch allen gemeinsam: Sie strahlen das Licht gleichmäßig in alle Rich­tungen ab. Nur in den seltensten Fällen ist das jedoch erwünscht. In der Regel führt es entweder zu hohen Verlusten, oder erfordert zusätz­liche optische Elemente, die das Licht nach­träglich umlenken. Eine Forscher­gruppe rund um Said Rahimzadeh-Kalaleh Rodriguez vom Institut für Atom- und Molekülphysik AMOLF in den Niederlanden hat nun einen neuen Ansatz vorgestellt, um diesem Problem beizukommen. Ihnen ist es gelungen, ein Metamaterial herzustellen, das Licht, abhängig von der Wellenlänge, vorzugsweise in eine bestimmte Richtung emittiert.

Die regelmäßig angeordneten Nanopyramiden richten das gleichmäßige Leuchten eines lumineszierenden Farbstoffs vorzugsweise nach oben oder nach unten (S. R. K. Rodriguez et al. / APS)

Abb.: Die regelmäßig angeordneten Nano­pyramiden (Inset) richten das gleich­mäßige Leuchten eines lumines­zierenden Farb­stoffs – abhängig von der Wellenlänge – vorzugs­weise nach oben (schwarze Kurve) oder nach unten (rote Kurve; Bild: S. R. K. Rodriguez et al. / APS)

Die theoretischen Grundlagen für ein solch anomales Emissions­verhalten existieren bereits seit über dreißig Jahren. Der Kerker-Bedingung zufolge hätten Nano­partikel, deren Magneti­sierbar­keit vergleichbar ist mit ihrer elek­trischen Polarisier­barkeit, höchst außergewöhnliche Eigenschaften. So könnte etwa ein starkes Ungleich­gewicht zwischen nach vorne und nach hinten gestreutem Licht entstehen. Da solche Materialien in der Natur jedoch nicht vorkommen, schien eine Umsetzung dieses Konzepts lange unmöglich.

Rodriguez und seinen Kollegen ist es nun allerdings gelungen, Nano­partikel mit genau diesen Eigenschaften herzu­stellen. Sie bestehen aus Aluminium, das im Vergleich zu seiner elektrischen Polarisier­barkeit eine sehr geringe Magneti­sierbarkeit aufweist. Um die beiden Werte einander anzugleichen, suchten die Forscher also nach einer geeigneten Form für die Partikel und kamen auf Pyramiden­stümpfe. Ihre Berechnungen ergaben als optimales Design eine abge­schnittene, quadra­tische Pyramide mit einer unteren Seiten­länge von 150 nm und einer Höhe von ebenfalls 150 nm. Aufgrund der gebrochenen Symmetrie sprechen diese Gebilde auf magnetische Felder fast genau so stark an wie auf elektrische.

Zur experimentellen Umsetzung formierten die Forscher ihre Nano­pyramiden auf einem durchsichtigen Substrat zu einem regel­mäßigen, quadra­tischen Muster und vermaßen ihr Absorptions­spektrum. Bei einer Wellenlänge von etwa 650 nm war die Probe fast völlig licht­undurch­lässig. Das entspricht der Ober­flächen­plasmon-Resonanz der einzelnen Partikel. Darüber hinaus gab es aufgrund der regel­mäßigen Anordnung noch ein weiteres Phänomen. Bei 600 nm machten Beugungs­effekte entlang der Oberfläche die Probe durch­sichtig. Bei 580 nm schließlich führte eine Kopplung der beiden Effekte erneut zu einer erhöhten Absorption.

Diese Abhängigkeit der Transparenz von der Wellenlänge war für beide Richtungen, also Bestrahlung von oben bzw. von unten, gleich. Die wirklich interes­santen Effekte treten erst auf, wenn Licht direkt aus dem Array emittiert wird. Dazu überzogen die Forscher die Probe mit einer 250 nm dicken Schicht eines verdünnten, lumines­zierenden Farbstoffs, der rötlich leuchtet. In voller Überein­stimmung mit den theoretischen Voraussagen lenkten die Nano­pyra­miden das Licht, abhängig von der Wellen­länge, in unter­schiedliche Richtungen. Bei 650 nm, der Resonanz der einzelnen Nanopyramiden, vorzugsweise nach unten, bei 580 nm vorzugs­weise nach oben. Das Meta­material verhält sich also wie eine Richt­antenne für Licht.

Den Forschern zufolge könnte eine Integration solcher Oberflächen­strukturen in bestehende LED Techno­logien die Effizienz steigern. Gleichzeitig könnten sie auch dazu eingesetzt werden, unerwünschte Teile eines Spektrums herauszu­nehmen, indem man diese nach innen leitet.

Thomas Brandstetter

OD

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