Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille

Was passiert mit Licht, wenn wir es durch eine Linse wie eine Lupe leiten? In der Schule haben wir gelernt, dass es in einem Punkt dahinter gebündelt wird. Doch so einfach funktioniert es leider nicht: Licht ist eben auch eine Welle. Hinter der Linse wird das Licht nicht genau auf einen einzigen Punkt fokussiert, bevor es wieder auseinanderläuft.

„Wir sprechen eher von einer Strahltaille“, erläutert Prof. Dr. Frank Meyer zu Heringdorf vom Sonderforschungsbereich 1242 „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne“ an der UDE.

Genau diese Strahltaille sollte für viele optische Bauteile so klein wie möglich sein. Bei Licht ist die Grenze nach unten aber genau durch die Wellenlänge festgelegt: Mit 800 Nanometern (nm) Wellenlänge schwingendes Licht wird minimal auf einen Fleck von knapp 400 nm fokussiert – viel größer als die Halbleiterbauelemente, wo mit Strukturen kleiner als 20 nm gearbeitet wird.

Um das Problem zu umgehen, arbeiten die Wissenschaftler stattdessen mit Elektronenwellen, die sich ebenfalls nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, bei gleicher Frequenz aber eine kleinere Wellenlänge haben.

Dazu beschichtete die Gruppe in Stuttgart eine Unterlage aus Silizium mit einer nur rund 60 nm hohen, atomar glatten Goldschicht. Regt man diese Schicht mit Licht von 800 nm Wellenlänge an, werden die Elektronen im Gold in Schwingung versetzt und die Schwingung breitet sich an der oberen und unteren Oberfläche des Edelmetalls als Welle aus – ähnlich wie bei Wasser, in das man einen Stein geworfen hat.

Messungen ergaben, dass die an der Goldunterseite entlanglaufenden Elektronenwellen nur ein Dreizehntel der ursprünglich anregenden Lichtwellenlänge haben. Der Fokusfleck konnte so auf einen Durchmesser von 60 nm reduziert werden.

Über die Ergebnisse berichtet das Fachmagazin Science Advances.

Originalpublikation: B. Frank, P. Kahl, D. Podbiel, G. Spektor, M. Orenstein, L. Fu, T. Weiss, M. Horn-von Hoegen, T. J. Davis, F.-J. Meyer zu Heringdorf, H. Giessen: „Short-range surface plasmonics: Localized electron emission dynamics from a 60-nm spot on an atomically flat single-crystalline gold surface“, Sci. Adv. 3, e1700721 (2017)
DOI: 10.1126/sciadv.1700721