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Metamaterialien: Tanz der Plasmonen

Optoelektronik ist eine Schlüsseltechnologie der kommenden Jahre. Bislang war jedoch ungeklärt, wie die optischen Bauelemente auf einem Mikrochip ihre Daten austauschen sollen. Mit wenigen Nanometer großen Löchern und Rillen auf der Oberfläche des Trägermaterials soll das nun möglich sein. Auch mikroskopisch kleine Linsen ließen sich so herstellen.
Links herum, rechts herum und zweimal im Kreis gedreht. Britische und spanische Festkörperphysiker können dem Licht nun Walzer oder Foxtrott beibringen. Den Tanzboden bilden so genannte Metamaterialien. Das sind Werkstoffe, die durch regelmäßige Strukturen auf ihrer Oberfläche besondere optische Eigenschaften erhalten. So haben einige Arbeitsgruppen bereits Linsen mit negativem Brechungsindex für Strahlung im Terahertz-Bereich entwickelt.

In die gleiche Kerbe schlägt nun der Vorschlag von Sir John Pendry vom Imperial College London sowie von Luis Martin-Moreno von der Universität Saragossa und Francisco Garcia-Vidal von der Universität Madrid. Durch das Bohren von winzig kleinen Löchern oder Rillen wollen sie Licht auf elektrisch leitenden Oberflächen nach Belieben führen. Damit ließen sich beispielsweise Lichtleiter für optische Bauelemente auf Mikrochips herstellen oder Linsen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser haben.

Die Löcher und Riefen begünstigen nach Aussagen der Wissenschaftler die Bildung von Plasmonen. So bezeichnen Physiker Schwingungen von Elektronen an der Oberfläche elektrisch leitender Festkörper. Die Schwingungen entstehen, wenn das Material mit elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird. Das ist so ähnlich wie ein Surfer auf einer Welle: Das Licht regt den "See" der Elektronen im Festkörper an, Wellen zu schlagen, und einzelne Lichtquanten reiten auf diesen Wogen wie Surfer. In den von den Forschern künstlich hergestellten Vertiefungen schwappen die Wellen mitsamt dem Wellenreiter nun wie in Kanälen entlang vorgegebener Richtungen beispielsweise von einem optischen Bauelement zum nächsten.

Diese Technik könnte die Mikroelektronik revolutionieren. Auf einem Halbleiterchip sind die vielen tausend Transistoren bislang durch winzige, elektrische Kontakte miteinander verbunden. Bei einem Mikrochip aus optischen Bauelementen nutzt dies nichts: Eine elektro-optische Einkopplung wäre zu aufwändig. Das Gleiche gilt für eine Verdrahtung mit Glasfasern. Sie sind mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern viel zu dick. Hier bietet das Plasmonen-Surfen eine echte Alternative.

Durch Hindernisse geeigneter Geometrie können die Wogen ihre Surfer (Lichtquanten) aber auch jederzeit gezielt abwerfen, wodurch sich mikroskopisch kleine Linsen konstruieren ließen.

Da es für die winzigen Strukturen, die für die Lichtleitung auf die Oberfläche gebracht werden müssen, keine Bohrer oder Fräsen im herkömmlichen Sinne gibt, wollen die Optoelektroniker die Anordnungen mit einem feinen Ionenstrahl Loch für Loch und Rille für Rille in den Träger schießen. Die dabei entstehenden Formationen sind in der Größenordnung von einigen Nanometern und damit gut tausendmal kleiner als das menschliche Haar.

"Für sichtbares Licht eignen sich dafür beliebige leitende Materialien wie Silber, Gold, Kupfer oder Aluminium als Trägermaterial", meint Sir John Pendry. "Aber auch für die kurzwelligere Mikrowellenstrahlung eignet sich dieses Verfahren. Dazu braucht man ausschließlich die Größe der Löcher und Rillen nur zu variieren".

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