Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stuttgarter Physiker erforschen optische Nanoantennen-Felder

05.04.2011
Fernsehantennenprinzip beflügelt Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung

Eine Standard-TV-Antenne empfängt Signale, die mit elektromagnetischen Frequenzen im Megahertz-Bereich übertragen werden und konvertiert sie zu elektrischen Pulsen im Stromkabel. Hierbei werden durch die Antenne verschiedene Größenskalen miteinander verknüpft: Die Übertragungswellenlänge liegt im Bereich von Zentimetern bis Meter, während die Größe einer elektrischen Leitung im Millimeter-Bereich liegt.


Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines dreidimensionalen optischen Yagi-Uda-Nanoantennenfeldes. Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut

Physikern am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Harald Giessen ist es jetzt gemeinsam mit Kollegen am Max Planck Institut für Festkörperforschung gelungen, dieses Konzept aus der Antennentheorie auf das Gebiet der Nano-Optik zu übertragen. Sie realisierten etwa 100 Nanometer große metallische Strukturen, die effizient optische Frequenzen im Bereich von mehreren hundert Terahertz empfangen, und eröffnen damit neue Möglichkeiten für die schnelle Datenübertragung. Darüber berichtet das Magazin Nature Communications in seiner aktuellen Ausgabe.*)

Spezielle Antennen-Geometrien können Strahlung aus bestimmten Richtungen bevorzugen. Eine solche nach einer Richtung orientierte TV-Antenne ist die Yagi-Uda-Antenne, deren Konzept für Radio- und Radarsignale bereits 1926 realisiert wurde. Diese Antenne, die aus einer parallelen Anordnung von unterschiedlich langen Stabantennen besteht, kann Signale aus einer ausgewiesenen Richtung fünf bis zehn Mal effizienter empfangen als eine einfache Stabantenne. Sind mehrere Yagi-Uda-Antennen in einem Antennenfeld angeordnet, verstärkt sich das empfangene Signal zusätzlich um ein Vielfaches. Solche Antennenfelder werden für die Signalübertragung über sehr große Distanzen eingesetzt, zum Beispiel für die Kommunikation mit Satelliten.

Die Stuttgarter Wissenschaftler ließen sich von dieser hoch effizienten Signalübertragung aus der Nachrichtentechnik inspirieren und skalierten das Konzept von Yagi-Uda-Antennenfeldern zu optischen Wellenlängen. Hierzu stellte Doktorand Daniel Dregely winzige, nur etwa 100 Nanometer große Golddrähte unterschiedlicher Länge her, die er nanometergenau übereinander anordnete. Dazwischen brachte er Abstandsschichten mit glasähnlichen Eigenschaften ein. Diese dreidimensionalen einzelnen Nano-Yagi-Uda-Antennen ordnete er periodisch in Antennenfeldern an.

Wie sich herausstellte, hängt die vom Antennenfeld absorbierte Energie stark vom Einfallswinkel und von der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Welle ab. Die Forscher zeigten, dass eine einfallende Welle mit Schwingungsfrequenz um 200 THz maximal absorbiert wird, wenn ihre Einfallsrichtung mit der ausgewiesenen Antennenachse der einzelnen Yagi-Uda-Antennen übereinstimmt. Bei dieser Frequenz und Einfallsrichtung wird die 1.500 Nanometer lange Welle auf einen Bereich gebündelt, der nur etwa 100 nm groß ist. Dies kann in Zukunft für die Realisierung von hochempfindlichen Detektoren im Nahinfrarotbereich genutzt werden.

Die Wissenschaftler, die zusammen im Forschungszentrum SCoPE (Stuttgart Center of Photonics Engineering) arbeiten, zeigten außerdem mit Hilfe von numerischen Berechnungen, dass diese optischen Antennenfelder auch als effiziente Sender arbeiten. Über eine phasengesteuerte Anregung der einzelnen Nano-Yagi-Uda-Antennen im Feld kann die Abstrahlungsrichtung optischer Wellenlängen präzise eingestellt werden. Die Forscher versprechen sich dadurch die Realisierung eines „phased arrays“ für optische Wellenlängen und somit völlig neuartige Möglichkeiten der optischen Datenübertragung im Mikrometerbereich, zum Beispiel auf Platinen in Hochgeschwindigkeitsrechnern oder auf Mikrochips.

*) Daniel Dregely, Richard Taubert, Jens Dorfmüller, Ralf Vogelgesang, Klaus Kern, and Harald Giessen: “3D optical Yagi-Uda nanoantenna array“,

DOI: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1268

Weitere Informationen und Bilder unter
http://www.pi4.uni-stuttgart.de sowie bei
Prof. Harald Giessen, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-65111,
e-mail giessen@physik.uni-stuttgart.de oder
Daniel Dregely, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-64961, e-mail d.dregely@physik.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Extra-Sekunde zum neuen Jahr
08.12.2016 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Heimcomputer entdecken rekordverdächtiges Pulsar-Neutronenstern-System
08.12.2016 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops