Nano-Antennen für den Datentransfer

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

• Originalveröffentlichung:
  R. Kullock et al.: Electrically-driven Yagi-Uda antennas for light, Nat. Commun. 11, 115 (2020); DOI: 10.1038/s41467-019-14011-6
• Nano-Optics and Biophotonics (B. Hecht), Physikalisches Institut, Fklt. Für Physik und Astronomie, Julius-Maximilians-Universität Würzburg