Nanoantennen ermöglichen schnelles Funken mit Licht

Forscher aus Karlsruhe haben eine Methode entwickelt, mit der sich Nanoantennen aus Gold herstellen lassen. Diese Antennen ermöglichen den zukünftigen Aufbau eines optischen High-Speed-Datennetzes.

Nano-Dipolantennen unterm Mikroskop
Nano-Dipolantennen unterm Mikroskop

Karlsruhe - Ob Mobilfunk, Satelliten-Fernsehen oder kabellose Computer-Netzwerke, in der Informationstechnik sind Funkwellen nicht mehr wegzudenken. Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Datenübertragungsrate weiter zu erhöhen, fanden Forscher vor einigen Jahren heraus, dass sich auch elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich – Licht – zur kabellosen Übertragung eignet. Aufgrund der höheren Frequenzen – gelbes Licht mit einer Wellenlänge von 600 nm (Nanometer, 600 nm = 0,000 000 600 m) hat eine Frequenz von etwa 500.000 GHz – lassen sich hier durch Modulation sehr hohe Datendurchsätze erzielen. Es gilt nämlich grundsätzlich: Die Datenrate kann nicht höher als die Hälfte der Frequenz der benutzten Trägerwelle sein. Neben einer Beschleunigung auf das Zehntausendfache der heutigen Datenraten bei gleichzeitig geringerem Energieverbrauch, sind künftige kabellose Highspeed-Datennetze, die Licht als Informationsträger verwenden, außerdem für Menschen und Tiere gesundheitlich unbedenklich.

Für optimale Erzeugung und Empfang der elektromagnetischen Wellen, sind Dipolantennen notwendig, deren Länge weniger als die halbe Wellenlänge beträgt – das bedeutet eine Länge von weniger als 350 nm für die Übertragung optischer Strahlung. Die gezielte und reproduzierbare Erzeugung solch kleiner Strukturen stellte Forscher weltweit bisher vor ein großes Problem. Zum Vergleich: UKW-Radiowellen mit einer Frequenz im Bereich um 100 MHz, benötigen im Idealfall eine etwa 1 Meter lange Dipolantenne.

Nun aber ist es Wissenschaftlern um Hans-Jürgen Eisler vom Lichttechnischen Institut des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelungen, Nanoantennen aus Gold herzustellen, die weniger als 100 nm lang sind. Dazu nutzten die Forscher ein Elektronenstrahlverfahren namens Elektronenstrahllithographie. Damit lässt sich die optische Auflösungsgrenze unterbieten, die bei optischen Belichtungsverfahren die Miniaturisierung von Nanostrukturen begrenzt.

Mit Hilfe eines Dunkelfeldmikroskops können die Nanoantennen, die sich im Abstand von 5 µm auf einem mit Indiumzinnoxid beschichteten Glasträger befinden, sichtbar gemacht werden. Der Glasträger wird von hinten unter dem Winkel der Totalreflexion bestrahlt und die Antennen leuchten in der Farbe, die durch ihre jeweilige Länge vorgegeben ist. Kurze Antennen strahlen grün, lange rot.

Die Nanoantennen der Karlsruher können aber nicht nur für die Informationsübertragung eingesetzt werden. Auch Anwendungen in der optischen Mikroskopie sind denkbar: „ Mit Hilfe dieser winzig kleinen Nano-Lichtstrahler können wir Untersuchungen an einzelnen Biomolekülen durchführen, wie es bisher nicht möglich war“, sagt Hans-Jürgen Eisler. Auch in der Charakterisierung von Nanostrukturen aus Halbleitern, Sensorstrukturen und integrierten Schaltkreisen dürften die kleinen Antennen zum Zuge kommen. Denn Nanoantennen können Lichtquanten effizient einfangen und auch wieder abstrahlen. Damit werden sie ihrerseits zu hervorragenden Lichtquellen für die Untersuchung kleinster Strukturen. Auch in der Energieerzeugung könnten die Antennen, mit denen es möglich ist Licht auf Bereiche von wenigen 10 nm zu lokalisieren einen Beitrag leisten, zum Beispiel zur Optimierung von Photovoltaikmodulen.