02 Okt Mit Licht und Elektronen: Schaltkreise 1000-fach beschleunigen
Auf Halbleitern basierende elektrische Komponenten arbeiten heute meist mit einer maximal nutzbaren Frequenz von einigen Gigahertz. Ein zukünftiger Schritt wäre der Übergang zu optischen Schaltkreisen. Würde man Photonen anstelle von Elektronen in Computerchips verwenden, könnten diese laut aktueller Forschungen bis zu 1000-mal schneller sein.
Ein vielversprechender Weg sind plasmonische Resonatoren, die auch als ‚Antennen für Licht‘ bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um nanometergroße Metallstrukturen, in denen Licht und Elektronen zusammenwirken. Je nach ihrer Geometrie können sie mit verschiedenen Lichtfrequenzen interagieren. „Die Herausforderung besteht darin, dass plasmonische Resonatoren bis heute nicht effektiv moduliert werden können, wie es bei Transistoren in der konventionellen Elektronik der Fall ist“, erklärt Dr. Thorsten Feichtner, Physiker von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Bei der Modulation von Lichtantennen hat ein JMU-Forschungsteam in Zusammenarbeit mit der Southern Denmark University (SDU) in Odense nun nach eigener Aussage einen bedeutenden Schritt nach vorn gemacht: Ihm gelang eine elektrisch kontrollierte Modulation, die den Weg zu einer ultraschnellen aktiven Plasmonik ebnen soll.
Bauelement aus der Nanofabrik
Statt zu versuchen, den gesamten Resonator zu verändern, konzentrierte sich das Team auf die Veränderung der Oberflächeneigenschaften, indem ein einzelner Resonator, ein Nanostäbchens aus Gold, elektrisch kontaktiert wurde. Eine Idee, die laut den Forschenden konzeptionell einfach ist, aber nur mithilfe einer komplexe Nanofabrikation, basierend auf Helium-Ionenstrahlen und Gold-Nanokristallen, realisiert werden konnte.
Der Effekt wird von Feichtner mit dem Prinzip des Faradayschen Käfigs verglichen: „So wie sich die Elektronen in einem vom Blitz getroffenen Auto an der Außenseite sammeln und die Insassen im Inneren in Sicherheit sind, beeinflussen zusätzliche Elektronen an der Oberfläche die optischen Eigenschaften der Resonatoren.“
Neues Forschungsfeld mit Potenzial
„Aber mit dieser Studie es gibt jetzt zum ersten Mal die Möglichkeit, gezielt neue Antennen zu entwerfen, und einzelne Quanteneffekte auszuschließen oder zu verstärken“, so Feichtner.
Langfristig sehen die Forschenden noch mehr Anwendungen: Kleinere Resonatoren versprechen optische Modulatoren mit hoher Effizienz. Außerdem lässt sich der Einfluss von Oberflächenelektronen in katalytischen Prozessen mit dem vorgestellten System ebenfalls untersuchen. Das würde neue Einblicke in Technologien der Energieumwandlung und Energiespeicherung ermöglichen.
Originalpublikation:
[Electrical modulation of surface response in a single plasmonic nanoresonator. Luka Zurak, Christian Wolf, Jessica Meier, René Kullock, N. Asger Mortensen, Bert Hecht, Thorsten Feichtner. Science Advances, 6. September 2024, DOI 10.1126/sciadv.adn5227]
Quelle: https://www.uni-wuerzburg.de
Bild: Thorsten Feichtner/Universität Würzburg
