Forschung

Nano-Antennen für den Datentransfer

10.01.2020 - Neu entwickelte Richtantennen für Licht ist nur achthundert Nanometer groß.

Richtantennen wandeln elektrische Signale in Radio­wellen um und senden diese gerichtet an einen Empfänger – und das mit geringer Sende­leistung und ohne unnötige Über­lagerungen. Dieses Prinzip, das in der Radio­wellen­technik nützlich ist, könnte auch für miniatu­ri­sierte Licht­quellen interessant sein, schließlich findet nahezu die gesamte internet­basierte Kommuni­kation mit Hilfe von Licht statt. Richt­antennen für Licht könnten nämlich dazu verwendet werden, Daten verlustarm und mit Licht­geschwin­dig­keit zwischen verschiedenen Prozessor­kernen auszu­tauschen. Damit Antennen auch mit den sehr kurzen Wellen­längen von sicht­barem Licht arbeiten, muss man die Größe solcher Richt­antennen in den Nanometer­bereich reduzieren. Die Grundlage für diese Technik haben Forscher der Uni Würzburg jetzt mit einer Pionier­arbeit gelegt: Ihnen gelang erstmals die Erzeugung von gerichtetem Infra­rot­licht mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Yagi-Uda-Antenne aus Gold.

Wie kann man sich eine Yagi-Uda-Antenne für Licht vorstellen? „Sie funktioniert im Wesent­lichen wie ihre großen Geschwister im Radio­bereich“, erklärt René Kullock von der Uni Würzburg. Dort werden durch das Anlegen einer Wechsel­spannung im Metall Elektronen zum Schwingen angeregt. Das führt dazu, dass die Antennen elektro­magne­tische Wellen abstrahlen. „Im Falle einer Yagi-Uda-Antenne geschieht dies jedoch nicht in alle Richtungen gleich­mäßig, sondern durch die gezielte Über­lagerung der abgestrahlten Wellen mit Hilfe spezieller Reflektor- und Direktor­elemente“, so Kullock. „Dadurch kommt es zu konstruk­tiver Inter­ferenz in einer Richtung und zu Auslöschung in allen anderen Richtungen.“ Dement­sprechend könnte eine solche Antenne als Empfänger betrieben auch ausschließlich Licht aus der gleichen Richtung empfangen.

Die Gesetze der Antennentechnik auf nanometer­große Antennen zu über­tragen, die Licht emittieren, ist technisch anspruchs­voll. Vor einiger Zeit konnten die Forscher der Uni Würzburg bereits zeigen, dass das Prinzip einer elektrisch getriebenen Licht­antenne funktio­niert. Um nun aber eine relativ komplexe Yagi-Uda-Antenne herzu­stellen, mussten sie sich einiges Neues einfallen lassen. Erfolgreich waren sie am Ende mit einer ausge­klügelten Herstellungs­prozedur. „Wir haben Gold mit Gallium-Ionen beschossen und konnten auf diese Weise die Antennen­form mit allen Reflektor- und Direktor­elementen sowie die notwendigen Anschluss­drähte präzise aus hoch­reinen Gold­kristallen ausfräsen“, erklärt Bert Hecht von der Uni Würzburg.

In einem nächsten Schritt haben die Wissen­schaftler in dem Treiber­element einen Nano­partikel aus Gold so positioniert, dass es einen Draht des Treiber­elements berührt und zum anderen Draht einen Abstand von nur einem Nanometer einhält. „Dieser Spalt ist so schmal, dass Elektronen ihn auf Grund des quanten­mecha­nischen Tunnel­effekts überwinden können, sobald eine Spannung angelegt wird“, erklärt Kullock. Diese Ladungs­bewegung erzeugt in der Antenne Schwingungen mit optischen Frequenzen, welche dank der speziellen Anordnung der Reflektor- und Direktor­elemente gebündelt abge­strahlt werden.

Von der ungewöhnlichen Eigenschaft ihrer neuartigen Antenne, die Licht gerichtet abstrahlt, obwohl sie sehr klein ist, sind die Forscher besonders fasziniert. Denn wie bei der Radio­wellen­technik wird bei der jetzt konstru­ierten Antenne die Richtungs­genauigkeit der Licht­emission durch die Anzahl der Antennen­elemente fest­gelegt. „Damit haben wir die bislang kleinste elektrisch betriebene Licht­quelle der Welt gebaut, die Licht in eine bestimmte Richtung abstrahlen kann“, sagt Hecht. Bis zur Anwendungs­reife ist aber noch einiges an Arbeit zu leisten. Zum einen müssen die Forscher an dem Gegen­stück für den Empfang von Licht­signalen arbeiten. Zum anderen müssen sie Effizienz und Stabilität erhöhen.

JMU / RK

Weitere Infos

 

Neue Vakuumpumpe VACUU·PURE® 10

Öl- und abriebfreies Vakuum bis 10⁻³  mbar

VACUUBRAND präsentiert eine trockene und abriebfreie Schraubenpumpe für den Vakuumbereich bis 10⁻³ mbar. Die Pumpe besticht durch ihre wartungsfreie Technologie ohne Verschleißteile und weist ein Saugvermögen von 10 m³/h auf. VACUU·PURE 10 ist die ideale Lösung für Prozesse, bei denen partikel- und kohlenwasserstofffreies Vakuum im Bereich bis 10⁻³ mbar benötigt wird. Mit dieser Eigenschaft deckt die Schraubenpumpe viele Anwendungsgebiete ab – wie beispielsweise Analytik, Vorvakuum für Turbomolekularpumpen oder die Regeneration von Kryopumpen. Sie ermöglicht aber auch Prozesse wie die Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung, Wärmebehandlung, Entgasung oder Beschichtung. Da keine Verschleißteile zu tauschen sind und lästige Ölwechsel entfallen, ist ein unterbrechungsfreier Betrieb mit sehr langen Standzeiten möglich.

VACCU PURE 10

Lernen Sie VACUU·PURE 10 kennen.

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

MOVIA- 2-Axis Scan Head for Marking & Coding Applications

Visit our website for more information

Webinar: Grundlagen der Wellenoptik-Simulation in 18 Minuten

Dieses 18-minütige Webinar vermittelt die Grundlagen der Modellierung und Simulation wellenoptischer Systeme.

Mehr Informationen zum Webinar

MOVIA- 2-Axis Scan Head for Marking & Coding Applications

Visit our website for more information

Webinar: Grundlagen der Wellenoptik-Simulation in 18 Minuten

Dieses 18-minütige Webinar vermittelt die Grundlagen der Modellierung und Simulation wellenoptischer Systeme.

Mehr Informationen zum Webinar