Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fortschritt in der Nano-Optik

25.11.2013
Einzelne Lichtteilchen so bändigen, dass sich ihre Bewegung auf Computerchips und Nanostrukturen steuern lässt: Das könnte der Informationstechnik wichtige neue Impulse geben. Würzburger Physiker stellen jetzt einen Fortschritt auf diesem Gebiet vor.

In der Computertechnologie gelingt es schon seit Jahren nicht mehr, die Taktrate der klassischen Prozessoren zu erhöhen. Eine stärkere Rechnerleistung lässt sich nur noch durch Tricks erreichen, etwa durch die Verwendung mehrerer Prozessorkerne.


Polarisierte Lichtpulse werden in eine Nano-Antenne eingespeist, an Drähten in jeweils entsprechenden Ladungswellenmustern weitergeleitet und wieder abgestrahlt.

(Grafik: Thorsten Feichtner)

Die Forschung sucht darum nach neuartigen Konzepten. Vielversprechend erscheinen optische Schaltkreise, die mit Lichtteilchen (Photonen) arbeiten – auch weil sie sich vermutlich für die Übertragung von Daten zwischen Quantencomputern eignen. Solche superschnellen Rechner gibt es zwar noch nicht, aber an ihrer Realisierung wird weltweit geforscht.

Optisches Signal im Nanobereich übertragen

Einen grundlegenden Schritt hin zu optischen Schaltkreisen haben die Arbeitsgruppen der Professoren Bert Hecht und Tobias Brixner an der Universität Würzburg gemacht: Die Wissenschaftler schafften es, ein Lichtsignal über eine Antenne in einen Wellenleiter einzuspeisen und es am anderen Ende über eine zweite Antenne wieder abzugeben.

Das Besondere daran: Die Übertragung des optischen Signals gelang den Forschern in winzigen Strukturen, die in die heutige Mikroelektronik integrierbar sind: Antennen und Wellenleiter messen jeweils nur wenige hundert Nanometer. In solch kleinen Dimensionen kann man Photonen normalerweise nicht handhaben: „Sie lassen sich nur äußerst ungern in enge Räume zwingen“, erklärt Hecht. „Darum ist es bislang auch schwierig, photonische Technologien mit Siliziumtechnologien zu kombinieren, wie sie üblicherweise auf Chips verwendet werden.“

Erfolg mit schwingenden Plasmonen

Wie ist den Forschern dann die Bändigung der Photonen geglückt? Sie setzten nicht auf freie, sondern auf gebundene Photonen. Die entstehen unter bestimmten Bedingungen an der Oberfläche von gut leitenden Metallen wie Gold. Dort eintreffendes Licht kann Elektronenschwingungen erzeugen, so genannte Plasmonen, die sich fortbewegen und an einer anderen Stelle wieder Licht abstrahlen. Plasmonen verhalten sich ähnlich wie freie Photonen, lassen sich aber auf sehr kleine Räume konzentrieren.

Den weltweit ersten einfachen Plasmonen-Schaltkreis haben die Würzburger Forscher vor kurzem im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ präsentiert. Er besteht aus einer rund 200 Nanometer langen Antenne, die mit hoher Effizienz freie Photonen einfängt und in Plasmonen umwandelt. An dieser Lichtantenne hängt ein Plasmonenleiter aus zwei feinen Golddrähten, die etwa drei Mikrometer lang sind und parallel zueinander verlaufen. Darauf können sich die Ladungswellen in genau zwei definierten Mustern ausbreiten – dieses Phänomen kann in Zukunft eingesetzt werden, um die Bewegungsrichtung der Plasmonen zu steuern, was mit Elektronen so nicht möglich ist.

Starke Abschwächung im Schaltkreis

In dem Fachjournal zeigen die Würzburger Forscher zunächst, wie die beiden Ladungswellenmuster angeregt werden und wie man die Anregung im Experiment nachweist. Aber noch werden die Plasmonen auf ihrem Weg durch den Schaltkreis stark abgeschwächt. „Dieses Problem gilt es zu lösen, bevor das Prinzip in die Nähe der technischen Anwendbarkeit gelangen kann“, so Hecht.

Die Physiker sind sich bewusst, dass sie nur einen kleinen Schritt hin zu kompletten optischen Schaltkreisen gemacht haben. „Doch unsere Ergebnisse bilden mit eine Grundlage dafür, dass plasmonische Wellenleiter auch in Zukunft ein hoch spannendes Forschungsgebiet bleiben“, so Hecht.

“Multimode plasmon excitation and in-situ analysis in top-down fabricated nanocircuits”, Peter Geisler, Gary Razinskas, Enno Krauss, Xiao-Fei Wu, Christian Rewitz, Philip Tuchscherer, Sebastian Goetz, Chen-Bin Huang, Tobias Brixner, and Bert Hecht, Phys. Rev. Lett. 111, 183901 (2013), DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.183901

Kontakt

Prof. Dr. Bert Hecht, Physikalisches Institut, Universität Würzburg, T (0931) 31-85863, hecht@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Tobias Brixner, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Universität Würzburg, T (0931) 31-86330, brixner@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Berichte zu: Antenne Lichtteilchen Nano-Optik Nanometer Photon Physik Plasmonen Schaltkreis Wellenleiter

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie