Licht hat eine Wellenlänge von einigen 100 Nanometern, also Milliardstel Metern. Eine Antenne, die Licht aussenden soll, darf nicht größer sein. Was bis vor kurzem undenkbar war, gelingt inzwischen dank eines Tricks, sagt Bert Hecht, Professor für Experimentalphysik an der Universität Würzburg.
"Wenn wir Licht koppeln an Metallstrukturen. Da gibt es die Elektronen im Metall. Wenn diese Elektronen ihre Schwingungen ausführen, entsteht da auch ein Lichtfeld. Dieses Lichtfeld ist dann konzentriert auf die Größe des Metallpartikels, in dem die Elektronen schwingen. Und die Partikel können sehr klein sein: 20 Nanometer, also 30 Mal kleiner als die Lichtwellenlänge zum Beispiel. Und dann habe ich ein lokalisiertes Lichtfeld."
Bert Hechts optische Antennen sind also winzigste Metallpartikel, genauer Stäbchen aus Gold. Würde man 3000 von ihnen nebeneinander legen, wäre dieser Stapel gerade so dick wie ein Haar. Bestrahlt man diese Nano-Goldstäbchen mit Laserlicht, senden sie dank der Elektronenschwingung selbst Licht aus. Zwei Punkte sind entscheidend dabei: Zum einen ist dieses Licht viel intensiver und stärker, als der zuvor eingestrahlte Laserstrahl. Denn es wird ja direkt im Inneren des Goldstäbchens ganz neu erzeugt. Zweitens ist die Lichtquelle auf engstem Raum konzentriert. Verglichen damit, ist selbst ein Laserstrahl ein unförmiges dickes Bündel. Was kann man aber mit solchen Nano-Lampen anfangen? Der Würzburger Forscher ist überzeugt davon, ...
"dass es in Zukunft ganz andere Anwendungen geben wird für Licht. Zum Beispiel will man mit Licht kommunizieren, wie das heute schon im Internet geschieht mit Glasfasern. Das wird sich aber immer weiter miniaturisieren. Also wir brauchen kleinere Komponenten, die Licht trotzdem noch leiten können und die man in einer hohen Dichte zusammensetzen kann. Was uns vorschwebt: Wir wollen in Zukunft in der Lage sein, optische Schaltkreise aufzubauen."
Soweit ist es noch lange nicht – die Antennen gibt es zwar, aber es fehlen viele andere Bauteile, die zu einem Schaltkreis gehören. Eine weitere mögliche Anwendung könnte dagegen schon früher soweit sein: eine Nano-Solarzelle. Bei ihr kommt ins Spiel, dass Antennen Strahlung nicht nur aussenden. Ebenso können sie elektromagnetische Wellen aus dem Raum einfangen – so wie bei einem Radio. Genau das sollen auch die Goldpartikel tun, die in der Nano-Solarzelle als Antennen für das Sonnenlicht dienen. Bert Hecht:
"Bei einer Nano-Solarzelle ist die Idee, auszunützen, dass wir das Licht, das wir auf so ein Partikel aufstrahlen, stark konzentrieren können. Das Partikel sammelt also Licht ein aus einem Bereich, der viel größer ist, als die Fläche des Partikels. Man könnte also die Partikel in geringer Dichte auf eine Oberfläche bringen und würde trotzdem noch das gesamte Licht absorbieren, das darauf fällt."
Genau wie bei einer herkömmlichen Solarzelle bewirkt das Licht, dass Elektronen zu wandern beginnen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung, die man nutzen kann. Auch diese so genannte Ladungstrennung geschieht hier natürlich im Nanometer-Maßstab. Nämlich an den beiden Enden eines einzigen organischen Moleküls, das eigens für diesen Zweck entwickelt wurde. Es entspricht der Halbleiterschicht in einer gängigen Solarzelle. Hecht:
"Es ist schon mehr als eine Idee. Wir sind dabei, Prototypen zu bauen. Wobei man nicht direkt mit eine Solarzelle anfängt, sondern mit einfacheren Systemen. Also wir machen Experimente mit der Kopplung von Molekülen an solche Antennen. Das sind aber dann einfachere Moleküle, die noch nicht die Funktionalität haben, die wir eigentlich wollen. Aber im Prinzip existieren die Moleküle schon, es existieren die Antennen. Wir müssen das nur noch zusammenbringen - was aber natürlich nicht einfach ist."
Andere Anwendungen der optischen Antennen stehen erst ganz am Anfang: Nano-Lichtmikroskope oder Nano-Laser. Doch jeder Weg beginnt mit einem Schritt, wie man in China sagt.
"Wenn wir Licht koppeln an Metallstrukturen. Da gibt es die Elektronen im Metall. Wenn diese Elektronen ihre Schwingungen ausführen, entsteht da auch ein Lichtfeld. Dieses Lichtfeld ist dann konzentriert auf die Größe des Metallpartikels, in dem die Elektronen schwingen. Und die Partikel können sehr klein sein: 20 Nanometer, also 30 Mal kleiner als die Lichtwellenlänge zum Beispiel. Und dann habe ich ein lokalisiertes Lichtfeld."
Bert Hechts optische Antennen sind also winzigste Metallpartikel, genauer Stäbchen aus Gold. Würde man 3000 von ihnen nebeneinander legen, wäre dieser Stapel gerade so dick wie ein Haar. Bestrahlt man diese Nano-Goldstäbchen mit Laserlicht, senden sie dank der Elektronenschwingung selbst Licht aus. Zwei Punkte sind entscheidend dabei: Zum einen ist dieses Licht viel intensiver und stärker, als der zuvor eingestrahlte Laserstrahl. Denn es wird ja direkt im Inneren des Goldstäbchens ganz neu erzeugt. Zweitens ist die Lichtquelle auf engstem Raum konzentriert. Verglichen damit, ist selbst ein Laserstrahl ein unförmiges dickes Bündel. Was kann man aber mit solchen Nano-Lampen anfangen? Der Würzburger Forscher ist überzeugt davon, ...
"dass es in Zukunft ganz andere Anwendungen geben wird für Licht. Zum Beispiel will man mit Licht kommunizieren, wie das heute schon im Internet geschieht mit Glasfasern. Das wird sich aber immer weiter miniaturisieren. Also wir brauchen kleinere Komponenten, die Licht trotzdem noch leiten können und die man in einer hohen Dichte zusammensetzen kann. Was uns vorschwebt: Wir wollen in Zukunft in der Lage sein, optische Schaltkreise aufzubauen."
Soweit ist es noch lange nicht – die Antennen gibt es zwar, aber es fehlen viele andere Bauteile, die zu einem Schaltkreis gehören. Eine weitere mögliche Anwendung könnte dagegen schon früher soweit sein: eine Nano-Solarzelle. Bei ihr kommt ins Spiel, dass Antennen Strahlung nicht nur aussenden. Ebenso können sie elektromagnetische Wellen aus dem Raum einfangen – so wie bei einem Radio. Genau das sollen auch die Goldpartikel tun, die in der Nano-Solarzelle als Antennen für das Sonnenlicht dienen. Bert Hecht:
"Bei einer Nano-Solarzelle ist die Idee, auszunützen, dass wir das Licht, das wir auf so ein Partikel aufstrahlen, stark konzentrieren können. Das Partikel sammelt also Licht ein aus einem Bereich, der viel größer ist, als die Fläche des Partikels. Man könnte also die Partikel in geringer Dichte auf eine Oberfläche bringen und würde trotzdem noch das gesamte Licht absorbieren, das darauf fällt."
Genau wie bei einer herkömmlichen Solarzelle bewirkt das Licht, dass Elektronen zu wandern beginnen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung, die man nutzen kann. Auch diese so genannte Ladungstrennung geschieht hier natürlich im Nanometer-Maßstab. Nämlich an den beiden Enden eines einzigen organischen Moleküls, das eigens für diesen Zweck entwickelt wurde. Es entspricht der Halbleiterschicht in einer gängigen Solarzelle. Hecht:
"Es ist schon mehr als eine Idee. Wir sind dabei, Prototypen zu bauen. Wobei man nicht direkt mit eine Solarzelle anfängt, sondern mit einfacheren Systemen. Also wir machen Experimente mit der Kopplung von Molekülen an solche Antennen. Das sind aber dann einfachere Moleküle, die noch nicht die Funktionalität haben, die wir eigentlich wollen. Aber im Prinzip existieren die Moleküle schon, es existieren die Antennen. Wir müssen das nur noch zusammenbringen - was aber natürlich nicht einfach ist."
Andere Anwendungen der optischen Antennen stehen erst ganz am Anfang: Nano-Lichtmikroskope oder Nano-Laser. Doch jeder Weg beginnt mit einem Schritt, wie man in China sagt.