Physik

Licht auf dem Info-Highway

Von Stefanie Hense
05.04.2004
, 10:00
Beenden photonische Kristalle das elektronische Zeitalter? Die Chancen, daß sie Silizium und anderen Halbleitern bald den Rang ablaufen gelten als gut.
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An die photonischen Kristalle knüpfen längst nicht mehr nur die Physiker große Erwartungen. In der Informationstechnik werden ihnen gute Chancen eingeräumt, dem Silizium und anderen Halbleitern alsbald den Rang abzulaufen. Das Bundesforschungsministerium ernannte zu Beginn des Millenniums deshalb kühn das 21. Jahrhundert zur Epoche des Photons - in Anlehnung an das vergangene Jahrhundert, das als Jahrhundert des Elektrons galt. Welche Fortschritte man bei der Entwicklung und Erforschung der photonischen Kristalle schon gemacht hat, wurde vor kurzem auch auf der Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Regensburg deutlich.

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Bei den begehrten Materialien handelt es sich um Kristalle für Photonen - nicht etwa aus Photonen. Sie sind gewissermaßen das optische Pendant zu Halbleitern. In halbleitenden Materialien können elektrische Ströme präzise gesteuert werden, in photonischen Kristallen läßt sich die Ausbreitung von Licht regulieren. Photonen breiten sich jedoch ohne Widerstand und viel schneller aus, als sich Elektronen durch einen Halbleiter bewegen. Daher lassen sich komplexe Informationen schneller übertragen und verarbeiten. Überdies sind photonische Kristalle in verschiedenen Formen verwendbar, entweder wie ein Mikrochip oder in gebogenem Zustand wie eine Glasfaser.

Analog zu Halbleitern konstruierbar

Photonische Kristalle kann man analog zu Halbleitern konstruieren. In diesen gibt es sogenannte Energiebänder, in denen sich die Leitungselektronen aufhalten. Der Grund für die Existenz der Bänder ist das periodische Potential, das von den Gitteratomen ausgeht. Zwischen den Bändern liegen Energielücken, welche die Ladungsträger überwinden können. Bei den photonischen Kristallen ist der Brechungsindex periodisch moduliert, und es existieren Bänder, die die erlaubten Energien für elektromagnetische Wellen eingrenzen.

Einen gravierenden Unterschied freilich gibt es, und der stand der Verwirklichung der großen Ziele bislang stets im Weg: Obwohl die Produktionsverfahren für Halbleiter ausgereift sind, ist die Herstellung photonischer Kristalle noch immer eine technische Herausforderung. Die Forscher um Harald Giessen von der Universität Bonn zum Beispiel dampfen winzige Ellipsoide aus Gold im Abstand von wenigen hundert Nanometern auf eine Lichtleiterschicht aus Indium-Zinn-Oxid auf. Das Licht, das sich in dieser Schicht ausbreitet, regt in dem Metall Oszillationen der Ladungsträger an, die ihrerseits die umgebenden Partikeln beeinflussen - und zwar desto stärker, je dichter diese beieinanderliegen. Es wird nicht ein breiter Wellenlängenbereich durch den photonischen Kristall blockiert, sondern nur einzelne Wellenlängen.

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Weitere Verfahren zur Herstellung

Am französischen Nationalen Forschungszentrum in Marcoussis werden zwei weitere Verfahren zur Herstellung photonischer Kristalle angewandt, die Anne Talneau vorstellte. Die Wissenschaftler erzeugen zum einen durch Ätzen regelmäßig angeordnete Löcher mit kreisförmigem Querschnitt, die einen Durchmesser von ungefähr zweihundert Nanometern besitzen. Zum anderen lassen sich photonische Kristalle mit der Elektronenstrahl-Lithographie herstellen, in denen sich das Licht entlang ungefähr einen Mikrometer breiter, speziell geformter Kanäle ausbreitet. Ziel ist es, möglichst so wenig Licht in den Strukturen zu verlieren, daß sich das Licht entlang der gewünschten Wege - samt Kurven - bewegt und daß das Licht beim Zusammentreffen verschiedener Wege kontrolliert werden kann.

Den bisher genannten Verfahren ist eines gemein: Man kann damit nur zweidimensionale periodische Strukturen herstellen. Will man dreidimensionale photonische Kristalle erhalten, muß man anders vorgehen. Die Gruppe um Martin Wegener von der Universität Karlsruhe hat die sogenannte holographische Lithographie entscheidend vorangebracht. Dabei werden vier Laserstrahlen so überlagert, daß sie ein periodisches Intensitätsmuster bilden, das dem gewünschten Kristallgitter entspricht. Damit wird ein Photolack belichtet, der anschließend aushärtet. Der unbelichtete Teil läßt sich herauslösen, und es bleibt eine "Schablone" mit der gewünschten Periodizität übrig. Wie beim Gipsabdruck eines archäologischen Fundstücks wird davon zunächst eine Kopie hergestellt, zum Beispiel aus Siliziumdioxid. Anschließend wird der Photolack entfernt, und das durchlöcherte Siliziumdioxid wird mit dem eigentlichen Material - etwa Silizium - aufgefüllt.

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Hürde für holographische Lithographie

Eine Hürde gilt es bei der holographischen Lithographie allerdings zu überwinden: Die vier Laserstrahlen werden zum Einfallslot hin abgelenkt, wenn sie in den Photolack eindringen. Sobald sie interferieren, entsteht ein falsches Interferenzgitter. Die Karlsruher Physiker ließen die vier Strahlen deshalb durch ein speziell geformtes Prisma laufen, wie sie unlängst auch in der Zeitschrift "Applied Physics Letters" (Bd. 82, S. 1284) berichteten.

Ein weiteres in der Gruppe von Martin Wegener angewandtes Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen beruht darauf, einen Laserstrahl so auf eine Photolack-Schicht zu fokussieren, daß jeweils aus zwei Photonen eines mit der doppelten Energie entsteht. Damit läßt sich wieder eine Gitterstruktur in den Photolack "schreiben", die als Schablone für einen photonischen Kristall dient. Hierfür wird allerdings doppelt soviel Photonenenergie benötigt - ein Ziel, das dadurch erreicht wird, daß man die Lage des Fokus für den Laserstrahl entsprechend verändert.

Verblüffende physikalische Effekte

Photonische Kristalle stellen die Wissenschaftler aber nicht nur vor technische Herausforderungen. An ihnen lassen sich auch verblüffende physikalische Effekte beobachten. Dazu gehört insbesondere die Forschung von Remigius Zengerle von der Universität Kaiserslautern. Er hatte festgestellt, daß Licht beim Übergang in einen photonischen Kristall unter Umständen nicht - wie zu erwarten wäre - zum Einfallslot, sondern quasi "zur falschen Seite hin" gebrochen wird. Ein von rechts kommender Strahl läuft also nicht nach links weiter, sondern nach rechts zurück. Die Existenz eines negativen Brechungsindex ist noch immer Anlaß heftiger Diskussionen, rüttelt sie doch an einem Gesetz, das schon in der Schule als grundlegender Satz der Optik vermittelt wird. Sie eröffnet die Möglichkeit, eine Art perfekter Linse zu bauen, deren Fokusgröße nicht mehr durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt ist.

Auch die Forschungsergebnisse von Thomas Ebbesen von der Universität Straßburg scheinen den klassischen Gesetzen der Physik zu widersprechen. So sollte eine Lochblende keinen Lichtstrahl hindurchlassen, falls ihr Durchmesser kleiner ist als dessen Wellenlänge. Ebbesen strukturierte eine Silberfläche auf beiden Seiten mit Vertiefungen, die eine kreisförmige Öffnung von dreihundert Nanometern Durchmesser konzentrisch umgaben. Ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 660 Nanometern gelangte - entgegen jeder Erwartung - auf die andere Seite der Öffnung. Das Licht regt in der Silberfläche die freien Ladungsträger zu Schwingungen, sogenannten Plasmonen, an. Diese sind selbst wieder Quelle für Licht, das zur Austrittsseite der Öffnung hin abgegeben wird. Die Plasmonen sind also eine Art Hilfsmittel, das dafür sorgt, daß sich das Licht durch die eigentlich viel zu kleine Öffnung ausbreiten kann. Dieser Mechanismus ermöglicht optische Anwendungen auf viel kleinerem Raum als bislang vermutet.

Quelle: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 05.04.2004, Nr. 81 / Seite 32
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