Neuer Sensor ortet Lichtquellen

Jan Oliver Löfken

Grüner Gecko vor einem grauen Hintergrund

David Adelmann/Thinkstock

Sensoren für Licht stecken beispielsweise in Digitalkameras, in Faxgeräten oder in Fernsteuerungen. Dort messen sie mehr oder weniger exakt die Intensität von auftreffenden Lichtwellen. Einen Schritt weiter gingen nun Soongyu Yi von der University of Wisconsin in den USA und seine Kollegen: Ihr neuartiger Lichtsensor detektiert zusätzlich zur Intensität auch die Richtung, aus der die Lichtwellen kommen. Inspirieren ließen sich die Wissenschaftler vom richtungsempfindlichen Hörsinn der Geckos, wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten.

Menschen und größere Tiere orten eine Geräuschquelle über die Zeitdifferenz, mit der Schallwellen das rechte und das linke Ohr erreichen. Bei Geckos beträgt der Abstand zwischen den Ohren nur gut einen Zentimeter – und die Zeitdifferenz ist zu kurz für diese Ortungsmethode. Daher sind die beiden Ohren über einen winzigen Tunnel im Geckokopf miteinander verbunden. In diesem überlagern sich die Schallwellen und spezifische Resonanzeffekte ermöglichen den Tieren ebenfalls die Ortung eines Geräuschs.

Stark vergrößerte Aufnahme der beiden Siliziumdrähte, die parallel zueinander verlaufen.

Prototyp des neuen Lichtsensors

Nach diesem Vorbild konzipierte das Team um Yi den neuartigen Lichtsensor. Der Prototyp besteht aus zwei filigranen Siliziumdrähten, die sich in einem Abstand von etwa hundert Nanometern befinden. In ihren Experimenten beleuchteten die Forscher die Drähte mit grünem Licht. Wie in einer Solarzelle setzte das eintreffende Licht nun Ladungsträger im Silizium frei, über den Photoeffekt. Daraufhin floss ein kleiner elektrischer Strom in den mit Goldelektroden kontaktierten Nanodrähten. Elektrisch waren die Nanodrähte zwar voneinander isoliert, doch optisch wurden sie – vergleichbar mit der akustischen Kopplung über den Tunnel im Geckokopf – miteinander verknüpft.

Ursache für diese optische Kopplung war die Streuung der einfallenden Lichtwellen an jedem einzelnen Nanodraht. Die gestreuten Lichtwellen zeigten Resonanzeffekte, die sich wiederum auf den photoelektrischen Strom in den beiden Nanodrähten auswirkten. Die Folge: Abhängig vom Einfallswinkel des Lichts unterschieden sich die gemessenen Photoströme in den Nanodrähten etwas voneinander. Diese winzigen Unterschiede reichten aus, um die Richtung des einfallenden Lichts bis auf ein drittel Winkelgrad genau zu bestimmen. Auf diese Weise ließ sich in den Versuchen der Ort einer grünen Leuchtdiode erfolgreich bestimmen.

Künftig wollen Yi und seine Kollegen ihren richtungsempfindlichen Lichtsensor noch weiterentwickeln, um auch andere Eigenschaften des Lichts – etwa Wellenlänge oder Polarisation – nachzuweisen. Anwendungen sehen die Forscher beispielsweise in Lichtsensoren für autonome Fahrzeuge oder in der Robotik.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/news/2018/neuer-sensor-ortet-lichtquellen/