Nanodrähte leiten Licht und Hyperschall zugleich

In Glasfasern und entlang von Nanodrähten können Lichtsignale fast mit Lichtgeschwindigkeit geleitet werden. Nun gelang es einer Forschergruppe erstmals, zusätzlich auch hochfrequente Ultraschallwellen, Hyperschall genannt, durch einen winzigen Nanodraht zu schicken. Dabei analysierte sie, wie sich Licht und Hyperschall gegenseitig beeinflussen. Wie das Team in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichtet, könnte diese Entdeckung zu neuen Modulen für die extrem schnelle optische Datenverarbeitung führen. Von diesem Bereich der Photonik versprechen sich viele Forscher zahlreiche Anwendungen, die eine leistungsfähigere Datenverarbeitung als mit der etablierten Elektronik erlauben sollen.

Animiertes Gif: Ausbreitung von Hyperschallwellen in einem Nanodraht aus Silizium
Ausbreitung von Hyperschallwellen

„Zum Beispiel könnten nun Lichtpulse in Schallwellen und wieder zurück in Lichtpulse umgewandelt werden“, sagt Raphaël Van Laer von der Universität in Gent. Verantwortlich dafür ist ein Effekt, der bereits vor 85 Jahren erstmals beobachtet wurde: Bei der nach dem französischen Physiker benannten Brillouin-Streuung können Lichtwellen durch akustische Schwingungen in einem Festkörper gestreut werden. Dieses Wissen nutzten nun Van Laer und Kollegen für ihre aktuellen Experimente. Sie fertigten mit lithografischen Methoden einen nur 450 millionstel Millimeter dünnen und wenige Millimeter langen Draht aus Silizium. Dieser diente sowohl dem Hyperschall – eine Bezeichnung für Ultraschall mit Frequenzen größer als tausend Megahertz – als auch dem Licht als effizienter Wellenleiter.

Animiertes Gif: Wechselwirkung von Hyperschall mit Lichtwellen in einem Nanodraht aus Silizium
Wechselwirkung von Hyperschall mit Lichtwellen

Die Physiker strahlten Lichtwellen eines Infrarotlasers auf den Nanodraht. Entlang seiner Oberfläche breiteten sich die Lichtwellen aus und regten dabei die Kristallstruktur des Nanodrahts zu akustischen Schwingungen an. Die Schwingungsachse lag dabei entlang des Querschnitts des Nanodrahts und somit um neunzig Grad zur Ausbreitungsrichtung des Lichts gedreht. Um diese Hyperschallwellen zu stabilisieren, lagerte das Team den Nanodraht auf einer spitz zulaufenden Erhebung. Dadurch konnten die akustischen Schwingungen nicht aus dem Nanodraht entweichen.

So auf kleinstem Raum eingefangen beeinflussten sich Licht und Hyperschall gegenseitig. Der Schall konnte die Wellenlänge des Lichts verändern und einzelne Spektralbereiche verstärken. Sogar die komplette Umwandlung von Licht zu Schall und wieder zu Licht wird mit solchen Nanodrähten möglich. Dadurch sehen Van Laer und Kollegen konkrete technische Anwendungen, etwa wenn sie die Nanodrähte aus Silizium auf kleinen Chips anordnen. Denn da sich Schall sehr viel langsamer als Licht im Nanodraht ausbreitet, könnte ein Signaltransport nach Wunsch verzögert werden. Solche Verzögerungen spielen eine wichtige Rolle, um den Datentransfer über Glasfaser oder photonische Kristalle optimal regeln zu können.