Gekoppelte Nanoantennen eröffnen Weg zur Lichtwellen-Elektronik

12. August 2020

Foto: Yujia Yang

Interaktion von Laserimpulsen mit einem Netzwerk aus Nanoantennen: Die Richtung des Stroms im Schaltkreis ist von der Phase des Laserlichts abhängig.

Einem Forscherteam vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), DESY und der Universität Hamburg ist es erstmals gelungen, integrierte elektronische Nanoschaltkreise zu konstruieren, die in der Lage sind, Licht per winziger Nanoantennen einzufangen und dabei die absolute Phase der Lichtwelle zu bestimmen – eine Messung, die bisher extrem aufwändigen und großen Vakuumaufbauten vorbehalten war. Das Team stellte seine Arbeiten, die Grundlage für eine neue Art von lichtgesteuerter Hochgeschwindigkeitselektronik sein könnte, im Fachmagazin Nature Communications vor.

Sichtbares Licht ist Teil des elektromagnetischen Spektrums, das von Radiowellen über Wärme- bzw. Infrarotstrahlung und UV- bis hin zur Gammastrahlung reicht. Seit der Einführung der Quantenmechanik vor über 100 Jahren weiß man, dass sich all diese Phänomene sowohl als Wellen als auch mit Hilfe von Teilchen, den Photonen, beschreiben lassen. Der einzige Unterschied über das gesamte Spektrum liegt in der Energie der Photonen oder – direkt damit verknüpft – der Frequenz der Welle. 

In der Vergangenheit konnte wegen fehlender Technik meist nur niederfrequente Strahlung wie Radio- oder Mikrowellen in ihrem Wellencharakter ausgenutzt und in alltäglichen elektronischen Geräten wie Radios (Megahertz-Frequenzen) oder WIFI (Gigahertz-Frequenzen) verwendet werden. Sichtbares Licht (mit Frequenzen im Terahertz-Bereich) oder UV-Licht (mit Petahertz-Frequenzen) wurde in seinem Teilchencharakter betrachtet, zum Beispiel die Solarzelle, die einzelne Photonen absorbiert und in elektrischen Strom verwandelt. Konventionelle elektronische Schaltkreise waren zu träge, um den schnellen Frequenzen im Terahertz-Bereich zu folgen. Erst seit kurzem ist es möglich, durch gezielte Reduzierung von Schaltkreisgrößen und die Verwendung von winzigen Antennen Elektronik auf der fundamentalen Zeitskala von sichtbarem und UV-Licht zu betreiben. Dessen Frequenz von Petahertz, also einer Milliarde Millionen Schwingungen pro Sekunde, erfordert eine Zeitauflösung von Femtosekunden (10-15 Sekunden).

Plasmonische Antennen fangen Lichtwellen ein und schwingen

Durch die Verwendung sogenannter plasmonischen Antennen, die  eine Größe von wenigen 100 Nanometern haben, ist es möglich, effizient Lichtwellen einzufangen und die Antennen mit der Frequenz des Lichtes zum Schwingen zu bringen. Diese Schwingung sorgt für einen Ladungsaustausch zwischen den Antennenhälften. Kurze Lichtpulse können so zwar detektiert und ausgewertet werden, für eine Verwendung in elektronischen Geräten sind diese Ströme, die aus nur einzelnen Elektronen bestehen, jedoch zu gering.

Antennen-Netzwerk liefert gut nachweisbares Signal

Ein wichtiger Schritt hin zur technischen Nutzung dieses Prinzips gelang jetzt dem Forschungsteam von MIT, DESY und Universität Hamburg: Es  konnte hunderte dieser Antennen in einem Detektionsnetzwerk integrieren, so dass sich die Ströme aller Antennen aufaddieren und so zu einem gut nachweisbaren Signal führen. Das Team konnte mit diesem Antennen-Netzwerk sogar die absolute Phase von kurzen Laserpulsen messen, das ist die Position der Wellenberge in einer Lichtwelle. Hierfür waren bisher extrem aufwändige und große Vakuumaufbauten notwendig, die jetzt durch einen kleinen Mikrochip  ersetzt werden können, der sowohl bei Raumtemperatur als auch in Luft funktioniert. Gleichzeitig sind die Experimente ein wichtiger Fortschritt in der Verwendung von Lichtwellen für die nächste Generation an ultraschneller Elektronik. Sie hat das Potenzial, die Arbeitsfrequenz heutiger Elektronik, die im Gigahertz-Bereich liegt, um einen Faktor von 100 000 zu übertreffen.

Die Arbeit wurde zum Teil durch das Air Force Office of Scientific Research, dem European Research Council, dem Exzellenzcluster "CUI: Advanced Imaging of Matter" und durch das MIT – Hamburg PIER Programm unterstützt. Das MIT - Hamburg PIER Programm unterstützt den angeregten Austausch von Hamburger und MIT-Wissenschaftlern und ermöglicht so eine enge wissenschaftliche Kollaboration. Text: DESY, red.

Originalveröffentlichung

 Y. Yang, M. Turchetti, P. Vasireddi, W. P. Putnam, O. Karnbach, A. Nardi, F. X. Kärtner, K. K. Berggren, Ph. D. Keathley

"Light phase detection with on-chip petahertz electronic networks"

Nature Communications 11,  3407 (2020)

DOI: 10.1038/s41467-020-17250-0