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Lichtwellenleiter im Nanobereich
Veröffentlicht am 11.03.2003 11:18:22

Im Takt des Lichts Die optischen Computer der Zukunft sind zwar noch Jahrzehnte entfernt, Wissenschaftler des California Institutes of Technology in Pasadena haben allerdings einen wichtigen Schritt auf dem Weg dorthin gemacht und konnten ein überaus elementares Problem lösen. Die Lichtleitung selbst konnte nämlich bisher nicht in dem für integrierte Schaltkreise notwendigen mikroskopischen Maßstab realisiert werden. Spielverderber ist nämlich dabei die Wellennatur des Lichts, durch die eine Lichtleitung im herkömmlichen Sinn wie sie etwa in Glasfaserkabel vorkommt, verhindert wird. Werden die Strukturen kleiner als die halbe Lichtwellenlänge, so stößt man an die Beugungsgrenze, die das Auflösungsvermögen von allen optischen Geräten, ob Mikroskop oder Feldstecher bestimmt. Klassische Wellenleiter können daher in den Chips der Zukunft sicherlich nicht eingesetzt werden, weshalb schon seit Jahren nach einer alternativen Möglichkeit gesucht wurde um die Beugungsbeschränkung auszutricksen.

Dies ist nun einer Forschergruppe rund um Harry Atwater gelungen, die sich eines physikalischen Effekts bediente, der schon vor einiger Zeit postuliert wurde. Im Nanobereich verhält sich die Materie nämlich keineswegs mehr unbeteiligt gegenüber dem Licht, sondern es kommt zu einer Wechselwirkung bei der ein Metallstäbchen mit der Größe von wenigen zehntel Nanometer zu schwingen beginnt. Solche Schwingungen, die durch die Wechselwirkung zwischen den elektromagnetischen Wellen und den Leitungselektronen in dem Metall zustande kommt, werden Plasmonen genannt und können gezielt für die Wellenleitung eingesetzt werden. Bilden nämlich viele Metallstäbchen eine Kette, die exakt auf die Wellenlänge des Lichts abgestimmt sein muss, dann kommt es zu einer Resonanz, durch die das Licht von einem Metallstäbchen zum Nächsten übertragen wird.

Der experimentelle Nachweis ist allerdings recht kompliziert, da es sehr schwer ist, die ersten Teilchen des Plasmon-Wellenleiters anzuregen. Erst durch einen speziell adaptierten Laser konnte der Effekt nun tatsächlich bewiesen werden. Das Licht wurde dabei von den Forschern des California Institutes of Technology mittels einer Metallspitze auf einen Durchmesser von rund hundert Nanometern konzentriert und dann auf den Wellenleiter gerichtet. Der Nachweis, dass sich das überaus schwache Licht tatsächlich durch den Wellenleiter ausbreitet, war deutlich weniger schwierig. Eine Kugel die mit fluoreszierenden Molekülen gefüllt war, wurde über den Plasmon-Wellenleiter geführt und leuchtete tatsächlich nur bei den durch die Plasmonenschwingung angeregten Teilchen deutlich auf.

Damit steht dem Einsatz der neuartigen Wellenleiter in den ersten optischen Schaltkreisen der Zukunft kaum mehr etwas im Wege, haben sie doch noch zusätzliche, überaus positive Eigenschaften. So dürfte die Effizienz – zumindest theoretisch – überaus hoch sein und auch Ecken bis hin zu scharfen neunzig Grad Knicken des Leiters sind kein Problem. Die Schwingung der einzelnen Stäbchen lässt sich auch dadurch nicht behindern.



Weiters können „T-Stücke“ recht einfach realisiert werden, durch die ein Lichtstrahl verlustfrei auf zwei Teilstrahlen aufgeteilt werden. Durch den umgekehrten Prozess, dem Verschmelzen von zwei Teilstrahlen zu einem einzigen lassen sich durch die konstruktive, bzw. destruktive Interferenz auch Schalter und logische Glieder aufbauen. Wann allerdings dem ersten integrierten optischen Schaltkreis mit Plasmonen im wahrsten Sinne des Wortes ein Licht aufgeht, ist noch nicht abzusehen.

CALTECH

Paul Müllner

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