Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

12.12.2017

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Aufriss einer optimierten optischen Antenne: Innen liegt ein Hohlraum; die elektrischen Felder während des Betriebes sind durch die Farbskala kodiert. Strommuster sind durch grüne Pfeile dargestellt. (Bild: Thorsten Feichtner)

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und ungerichtet. Wenn es möglich wäre, auf fundamentale Weise in diesen Prozess der Photonenentstehung in Hinblick auf Effizienz und Emissionsrichtung einzugreifen, ergäben sich neue technische Möglichkeiten: Winzige multifunktionale Leuchtpixel, mit denen man dreidimensionale Displays bauen könnte, würden damit ebenso ermöglicht wie zuverlässige Einzelphotonenquellen für Quantencomputer oder optische Mikroskope zur Abbildung einzelner Moleküle.

Ein bekannter Lösungsansatz sind nanometergroße „optische Antennen“, die Photonen sehr effizient und ausschließlich in eine bestimmte Richtung versenden. Die erste Idee hierzu stammt aus einer Rede, die der Nobelpreisträger Richard P. Feynman 1959 am California Institute of Technology hielt.

Feynman war damit seiner Zeit weit voraus, aber er stieß eine rasante Entwicklung der Nanotechnologie an, die es heute tatsächlich ermöglicht, Antennen für sichtbares Licht zu bauen. Die Abmessungen und Strukturdetails solcher Antennen lassen sich in einer Größenordnung um 250 Nanometer präzise kontrollieren.

Woran es bisherigen Licht-Antennen mangelt

Die Form dieser optischen Antennen hat sich bisher an den etablierten Vorbildern aus Mobilfunk und Radiowellentechnik orientiert. Dort bestehen Antennen, aufgrund der verwendeten Wellenlängen im Zentimeter-Bereich, meist aus speziell geformten Metalldrähten und Anordnungen von Metallstäben. Tatsächlich kann man durch den Übergang zu winzigen, nur noch nanometergroßen metallischen Stäbchen Antennen für Lichtwellen konstruieren und damit die Erzeugung von Photonen und ihre Ausbreitung beeinflussen – aber die Analogie zwischen Radio- und Lichtwellen ist nur eingeschränkt gültig.

Während bei makroskopischen Radioantennen ein Hochfrequenzgenerator über ein Kabel an die Antenne gekoppelt wird, muss dieser Kopplungsprozess auf der Nanometer-Skala einer Lichtwellenlänge berührungslos verlaufen. Atome und Moleküle, die als Photonenquellen fungieren, verfügen aber nicht über Anschlusskabel, mit denen man eine optische Antenne verbinden kann.

Neben weiteren Problemen, die auf die hohe Frequenz von Licht zurückzuführen sind, hat dieser wichtige Unterschied es bisher unmöglich gemacht, den Geburtsprozess und anschließenden Lebensweg von Photonen mit optischen Antennen in zufriedenstellendem Maße zu kontrollieren.

Publikation im Fachmagazin „Physical Review Letters“

Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) haben dieses Problem nun gelöst und Regeln für optimierte optische Antennen formuliert, die im renommierten Fachmagazin „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurden.

Mit den neuen Regeln könnten – zumindest auf Papier – Antennen für Licht so gebaut werden, dass sich sowohl der Geburtsprozess als auch die weitere Ausbreitung der Photonen genau kontrollieren lasse, sagt Dr. Thorsten Feichtner, der am Physikalischen Institut in der Arbeitsgruppe von Professor Bert Hecht forscht.

Auf welchem Prinzip die neuen Antennen beruhen

„Die Idee dahinter beruht auf dem Prinzip der Ähnlichkeit“, so der Würzburger Physiker. „Die Neuerung in unserer Arbeit ist, dass die Ströme der frei beweglichen Elektronen in der Antenne zwei Ähnlichkeits-Bedingungen gleichzeitig erfüllen müssen. Einerseits muss das Strommuster in der Antenne den Feldlinien in unmittelbarer Nähe eines licht-emittierenden Atoms oder Moleküls ähneln. Andererseits muss das Strommuster aber ebenso bestmöglich mit dem homogenen elektrischen Feld einer ebenen Welle übereinstimmen, damit möglichst jedes Photon zu einem weit entfernt liegenden Empfänger gelangen kann.“

Die mit Hilfe dieser neuen Regeln gefundenen neuartigen Antennen für Licht extrahieren aus einem Emitter weit mehr Photonen als die bislang bekannten Antennenformen, die sich aus der Radiotechnik ableiten.

Feichtner, T., Christiansen, S., & Hecht, B. (2017). Mode Matching for Optical Antennas. Physical Review Letters, 119(21), 217401, 21. November 2017, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.217401