Hybride Nanoantenne zur Manipulation des sichtbaren Lichts

Eine von Forschern von A*STAR entwickelte nanoskalige optische Antenne ermöglicht die Manipulation von sichtbaren Lichtwellen auf der Skala von Mikrochips. Solche Nanoantennen können die Entwicklung hochauflösender Abbildungssysteme in kleinen mobilen Geräten ermöglichen.

Photonen in Lichtstrahlen können mehr Informationen enthalten als Elektronen, die durch elektrische Leitungen wandern. Wenn Licht in nanoskalige Chips als Mittel zur drahtlosen Datenübertragung geleitet werden könnte, könnte es den Weg für Technologien wie Hochgeschwindigkeits-Bildgebung für medizinische Anwendungen und Telefonbildschirme mit hochauflösenden, dreidimensionalen Displays öffnen.

Jetzt haben Jinfa Ho, Joel Yang und Arseniy Kuznetsov und ihr Team vom A*STAR Institute of Materials Research and Engineering eine nanoskalige Antenne entwickelt, die Lichtwellen im Chipmaßstab aussenden kann. Entscheidend ist, dass ihr Design erstmals eine präzise Steuerung der Richtung, in die sich die Lichtwellen bewegen, ermöglicht und gleichzeitig die Strahlungsleckage begrenzt, die ein störendes Übersprechen zwischen den Komponenten verursachen könnte.

Die meisten Menschen würden zackige Funkantennen von Gebäudedächern erkennen, die ein aktives Einspeiseelement und eine Reihe paralleler Metallstäbe oder „Dipoldirektoren“ umfassen. Dieses Design, genannt Yagi-Uda-Antenne, ist eine sehr erfolgreiche Methode zur Übertragung von Funkwellen; die Größe jedes Dipols ist so ausgelegt, dass er auf Funkwellen bestimmter Wellenlängen reagiert und sie bei Bedarf lenkt.

„Damit Yagi-Uda-Antennen im optischen Wellenlängenbereich arbeiten können, müssen sie auf Nanometergrößen reduziert werden“, sagt Ho. „Die meisten bisherigen Versuche behielten die Verwendung von Metallen bei, die aufgrund der Absorption in das Metall erhebliche Verluste bei optischen Frequenzen aufweisen. Stattdessen verwendeten wir einen Dipol aus Goldquellen, der in Form einer Schleife konfiguriert war, gekoppelt mit Silizium-Direktoren (siehe Bild oben).“ Es ist die Verwendung von plasmonischen (goldene Fliege) und dielektrischen (Silizium-Direktor) Strukturen, die zu der hybriden Natur der Nanoantenne führt.

Der elektrische Feldhotspot, der in der Mitte der Fliege entstand, als die Antenne in Betrieb war, verbesserte die photolumineszierenden Eigenschaften des Goldes erheblich. So konnten die Forscher die winzige Antenne abbilden und die Richtung des Lichtsignals manipulieren. Die Verwendung von Silizium-Direktoren bedeutete, dass die hohen Dipolstärken in der gesamten Antenne beibehalten wurden, mit geringen Verlustleistungen.

„Indem wir mehrere Dipole in unmittelbarer Nähe mit der richtigen Phasendifferenz anregen, verbessern wir die Strahlung in die gewünschte Richtung durch destruktive und konstruktive Interferenzen“, erklärt Ho. „Das verbesserte die Richtwirkung im Vergleich zu früheren Designs.“

Der nächste Schritt des Teams ist die Schaffung einer Nanoantenne, die die Emissionsrichtung bei verschiedenen elektrischen Signalen ändert. „Stellen Sie sich Nanoantennen-Arrays vor, die Licht in verschiedene Richtungen emittieren und hochauflösende Bilder erzeugen, die aus verschiedenen Blickwinkeln sichtbar sind“, fügt Yang hinzu.

Mehr Informationen:
Jinfa Ho et al. Hoch direktive Hybrid Metall-Dielektrikum Yagi-Uda Nanoantennen, ACS Nano (2018). DOI: 10.1021/acsnano.8b04361

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