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 MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften

Neues Sensorsystem sorgt für sichere Ernte

23.10.2017 | Informationstechnologie

Salmonellen als Medikament gegen Tumore

23.10.2017 | Biowissenschaften Chemie