Experiment ebnet Weg zu lichtgetriebener Elektronik der Zukunft

1. Juni 2016, 12:52
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Forscher beobachten Licht-Materie-Phänomen in der Nanooptik, das nur Attosekunden dauert

Garching – Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie spielt nicht nur in der Natur eine bedeutende Rolle – Stichwort: Photosynthese – sondern findet auch in der Technik wichtige Anwendungen. Eine Technologie, die auf Lichtwellen kodierte Daten überträgt oder speichert, wäre fast 100.000 Mal schneller als heutige Systeme. Nun haben deutsche Wissenschafter eine Licht-Materie-Wechselwirkung genauer untersucht, die den Weg zu einer von Lichtwellen gesteuerten Elektronik ebnen könnte.

Fällt Licht auf Metalle, kann das im Mikrokosmos eigenartige Dinge an deren Oberfläche auslösen. Das elektromagnetische Feld des Lichts regt Elektronen in den Metallatomen zum Schwingen an. Durch diese Wechselwirkung entstehen sogenannte "Nahfelder" – elektromagnetische Felder, die nahe der Oberfläche des Metalls lokalisiert sind.

Wie sich diese Nahfelder unter Lichteinfluss verhalten, hat jetzt ein internationales Team von Physikern im Labor für Attosekundenphysik der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg beobachtet.

Laserpulse treffen auf Golddraht

Dazu schickten die Forscher starke Infrarot-Laserpulse auf einen Nanodraht aus Gold. Diese Laserpulse sind so kurz, dass sie nur über wenige Schwingungen des Lichtfeldes verfügen. Beim Auftreffen auf die Nanonadel regte das Licht kollektive Schwingungen der leitenden Elektronen in dem Verbund aus Goldatomen an. Die Elektronenbewegungen bewirkten die Ausbildung der Nahfelder an der Oberfläche des Drahtes.

Nun wollten die Physiker herausfinden, in welcher zeitlichen Relation die Nahfelder zu den Lichtfeldern standen. Dazu schickten sie kurz nach dem ersten Laserpuls einen zweiten, nur einige hundert Attosekunden kurzen Lichtblitz auf die Nanostruktur. Der zweite Blitz löste einzelne Elektronen aus dem Nanodraht aus. An der Oberfläche angekommen, wurden die Teilchen durch die Nahfelder beschleunigt und detektiert. Die Analyse dieser Teilchen ergab, dass die Nahfelder rund 250 Attosekunden zeitversetzt zum einfallenden Licht schwingen und seinem Feld quasi voraneilen. Das heißt: Die Nahfeld-Schwingungen erreichen 250 Attosekunden früher einen maximalen Ausschlag als die Schwingung des Lichtfeldes.

"Mit der von uns demonstrierten Messmethode können Felder und Oberflächenwellen an Nanostrukturen, welche in der Lichtwellen-Elektronik eine zentrale Rolle spielen, gestochen scharf abgebildet werden.", erklärt Matthias Kling, der Leiter der Experimente in München.

Grenzen der Datenverarbeitung

Die Versuche ebnen den Weg hin zu komplexeren Studien der Licht-Materie Wechselwirkung an für die Nanooptik geeigneten Metallen und damit für eine lichtgetriebene Elektronik der Zukunft. Diese Elektronik würde mit Frequenzen von Licht betrieben. Licht schwingt etwa eine Million Milliarden Mal pro Sekunde, also mit Petahertz-Frequenzen. Ebenso viele Schaltvorgänge wären denkbar, rund 100.000 mehr als heute. Die ultimative Grenze der Datenverarbeitung wäre damit erreicht. (red, 1.6.2016)

  • Trifft Laserlicht auf eine Nanonadel (im Bild gelb), entstehen an der Oberfläche elektromagnetische Nahfelder. Ein zweiter Laserpuls löst aus der Nadel ein Elektron (grün). Dies erlaubt es, die Charakteristik der Nahfelder zu bestimmen.
    illu.: christian hackenberger

    Trifft Laserlicht auf eine Nanonadel (im Bild gelb), entstehen an der Oberfläche elektromagnetische Nahfelder. Ein zweiter Laserpuls löst aus der Nadel ein Elektron (grün). Dies erlaubt es, die Charakteristik der Nahfelder zu bestimmen.

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