Wissenschaft mit Potenzial

Innovative Promotionsarbeiten mit einem hohen Anwendungspotenzial: Sie sind gesucht für den Nano Innovation Award, den das LMU Center for NanoScience und vier Spin-off Unternehmen gemeinsam vergeben.

In diesem Jahr geht die mit insgesamt 9.000 Euro dotierte Auszeichnung für innovative Forschung in den anwendungsorientierten Nanowissenschaften an drei Doktoranden aus Erlangen, Würzburg und München. Den zweiten Platz verlieh die Jury an Maximilian Ochs von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) für seine Forschung an Nanoantennen.

Nanoantennen für die Informationsverarbeitung

Wofür Nanoantennen gut sind? Während die Informationsverarbeitung in Computern durch elektronische Schaltungen erfolgt, die bis in den Nanometerbereich miniaturisiert werden können, läuft die Übertragung von Informationen über größere Entfernungen dagegen über Lichtteilchen in optischen Fasern, bei denen die Wellenlänge des Lichts die Miniaturisierung behindert.

Miniaturisierte optische Datenverbindungen wären eine große Hilfe, um gegenwärtige Engpässe in modernen Computerchips zu überwinden. In seiner Arbeit hat Maximilian Ochs eine spezielle Nanoantenne entwickelt, die als miniaturisierter Elektron-Licht-Wandler eingesetzt werden kann und die Lichtteilchen in einem wohldefinierten, gerichteten Strahl aussendet, sobald sie durch tunnelnde Elektronen angeregt wird. Fachleute sprechen in diesem Fall von einer „elektrisch angetriebenen plasmonischen Yagi-Uda-Antenne“.

In seiner Dissertation am Lehrstuhl für Experimentelle Physik 5 der Uni Würzburg konnte Ochs zeigen, dass man auf diese Weise extrem kleine elektrisch betriebene Photonenquellen und darüber hinaus einfache Photonenverarbeitungsschaltungen bauen kann, die direkt mit einem nanoelektronischen System verbunden sind und dabei den gleichen Grad an Miniaturisierung aufweisen.

Herr Ochs, wie kamen Sie auf die Idee, Richtfunk für Licht zu erforschen? Antennen mit einer Länge von wenigen hundert Nanometern senden keine Radiofrequenzen, sondern sichtbares Licht aus. Solche Antennen haben das Potenzial, die Kommunikation auf kleinstem Raum wesentlich zu verbessern – zum Beispiel auf Computer-Chips. In unserer Arbeitsgruppe wurde bereits zuvor an elektrisch getriebenen Nanoantennen gearbeitet. Dabei strahlt diese erste Generation von Nanoantennen das Licht wie ein herkömmlicher Dipol in mehrere Richtungen aus. Um allerdings gezielt Information von einer Antenne zur nächsten zu schicken, benötigen wir eine möglichst gerichtete Abstrahlung von Licht. Und genau das haben wir mit unserer Yagi-Uda Antenne demonstriert.

Welche Schwierigkeiten gab es dabei zu überwinden? Die Herstellung der Nanoantennen war die größte Herausforderung. Die Genauigkeit, mit der wir unsere Nanostrukturen herstellen, ist am absoluten Limit des Möglichen. Besonders herausfordernd war die Herstellung der eigentlichen Lichtquelle: Dafür haben wir ein 30 Nanometer großes Goldpartikel in einem nur geringfügig größeren Spalt platziert. Das Ergebnis war ein kleinerer Spalt mit einer Größe von maximal einem Nanometer. Sobald Elektronen über diesen Spalt tunneln, wird Licht emittiert.

Wo sehen sie zukünftige Anwendungen für diese Antennen? Nanoantennen haben das Potential, die Datenübertragung auf Computer-Chips wesentlich effizienter zu machen. Darüber hinaus sind solche Antennen auch die kleinsten elektrisch betriebenen Lichtpixel der Welt und damit interessant für die nächste Generation von hochauflösenden Displays.

In welche Richtung wird diese Forschung weitergehen? Um Anwendungen entwickeln zu können, müssen Stabilität und Lichtausbeute der Antennen weiter verbessert werden. Außerdem müssen die Antennen das Licht auch effizient empfangen können; daran arbeitet gerade ein Kollege von mir. Unser großes Ziel ist die Kommunikation von zwei oder mehr Nanoantennen miteinander.

Wie bewerten Sie den zweiten Platz des Nano Innovation Award 2022? Es ist ein gutes Gefühl, für die Arbeit der vergangenen Jahre ausgezeichnet zu werden – nicht nur für mich selbst. Es zeigt auch, dass unsere Forschung von der Industrie beachtet wird und von zukünftiger Bedeutung ist.

Zur Person

Maximilian Ochs (29) stammt aus Fulda. Von Oktober 2012 bis August 2015 studierte er Nanostrukturtechnik (Bachelor) an der Universität Würzburg. Von September 2015 bis April 2016 absolvierte er einen Auslandsaufenthalt an der University of British Columbia (Kanada) im Rahmen seines Masterstudiums Nanostrukturtechnik, das er im Dezember 2017 abschloss. Seit Januar 2018 ist er als Promotionsstudent an der Graduate School of Science and Technology der JMU eingeschrieben.

Der Nano Innovation Award

Das Preisgeld für den Nano Innovation Award wird seit 2015 von vier erfolgreichen Ausgründungen des Center for NanoScience (CeNS) gestiftet, die durch ihre eigene Firmengeschichte direkt mit der Idee des nano Inovation Award verbunden sind: Die Firmen attocube systems AG, ibidi GmbH, Nanion Technologies GmbH und NanoTemper Technologies GmbH zeichnen gemeinsam mit CeNS begabte und ideenreiche Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aus.

Der erste Preis ging in diesem Jahr an Tobias Boolakee von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen, auf dem dritten Platz landete Tim Schröder von der LMU München.

Das Center for NanoScience

Das Center for NanoScience (CeNS) ist eine wissenschaftliche Einrichtung der LMU München, die interdisziplinäre Forschung auf dem Gebiet der Nanowissenschaften fördert und koordiniert. Dabei werden von CeNS verschiedene Disziplinen wie Physik, Chemie, Biochemie und Pharmazie überspannt. In CeNS kooperieren neben Arbeitsgruppen der LMU auch Gruppen der TU München, des Max-Planck-Instituts für Biochemie und anderer Institutionen im Münchner Raum.

Homepage des CeNS

Kontakt

Maximilian Ochs, Lehrstuhl für Experimentelle Physik 5, T: +49 931 31-86636, maximilian.ochs@physik.uni-wuerzburg.de