Nanoprozessoren: Forscher bringen Licht ins Dunkel
Wenn Lichtwellen auf die Elektronen auf einer Oberfläche treffen, werden diese dazu angeregt, parallel zur Oberfläche zu schwingen. Da Daten zukünftig vermutlich anstatt mit Elektrizität mithilfe von Licht verarbeitet werden, könnten diese Oberflächenwellen, die sogenannten Oberflächenplasmonen, bei der Entwicklung neuer Telekommunikations- und Datenverarbeitungstechnologie eine wichtige Rolle spielen. Die optische Datenverarbeitung ist nicht nur energieeffizienter als die elektrische, sie ermöglicht auch die Entwicklung von Nanoprozessoren, die die Voraussetzung für die Entwicklung von hochauflösenden Sensoren und Signalverarbeitungssystemen im Nanobereich darstellen. Hier stehen Wissenschaftler jedoch einer Herausforderung gegenüber: Um diese Nanoprozessoren konstruieren zu können, muss es ihnen zunächst gelingen, mehrere Schichten innovativer Materialien zu stapeln und den Verlauf der erzeugten Lichtwellen zu ermitteln. Diesbezügliche Forschungsbemühungen waren bisher leider nie von Erfolg gekrönt – bis jetzt. Einer vor Kurzem in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichten Studie zufolge ist Forschern ein Durchbruch im Bereich der Entwicklung von Technologien für künftige optisch-elektronische Hybridrechner gelungen. Forscher von der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) haben im Rahmen der von der EU geförderten Projekte TRUEVIEW und USED eine Methode zur ultraschnellen Erfassung des Verlaufs von Licht- und Elektronenwellen in Stapelstrukturen im Nanobereich entwickelt. Bahnbrechende Studie Das USED-Projektteam konzentrierte sich auf die Eigenschaften der Materialien auf atomarer Ebene, um zu eruieren, wie diese genutzt werden können. Den Projektteilnehmern gelang erstmals die erfolgreiche Implementierung eines ultraschnellen Transmissionselektronenmikroskops (TEM) auf Basis einer neuen Konstruktion, die eine beispiellose Zeitauflösung und magnetische Empfindlichkeit bietet. Ein TEM ist ein komplexes Teleskop, mit dem dank Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen Materialien auf atomarer Ebene und mit einer Zeitauflösung von Femtosekunden abgebildet werden können. Indem ein elektromagnetisches Feld an der Oberfläche eines einzelnen Nanodrahts erzeugt wird und dessen energetische und räumliche Eigenschaften abgebildet werden, erzeugt das vom USED-Projektteam entwickelte TEM auch ein Bild des Lichts selbst, das wiederum Aufschluss über dessen Eigenschaften im Kontext der klassischen Mechanik und Quantenmechanik liefert. Dem TRUEVIEW-Team gelang indes die Analyse der Eigenschaften sowie die Manipulation von oberflächengebundenen Lichtwellen in optoelektronischen Nanostrukturen. Mit der Implementierung innovativer Techniken zur direkten räumlichen und zeitlichen Abbildung und Analyse photonischer und plasmonischer Nanostrukturen mithilfe von Elektronen und mit einem Auflösungsvermögen im Nanometer- bzw. Femtosekundenbereich legte das Projektteam den Grundstein für künftige Forschung im Bereich ultraschneller Elektronenmikroskopie in Europa. Messtechnik im Nanobereich Mit diesen zwei Projekten wurde die Grundlage für zahlreiche optoelektronische Anwendungen geschaffen, einschließlich der ultraschnellen Technik zur Erfassung von Licht- und Elektronenwellen auf den Oberflächen von Stapelstrukturen im Nanobereich. Hierzu setzten die Forscher auf ein winziges Antennen-Array aus einer hauchdünnen Siliciumnitridmembran, die mit einer noch dünneren Silberschicht überzogen ist. Die Oberfläche des Arrays ist von Nanolöchern durchzogen, die als Antennen fungieren und die Propagierung der Plasmonen entlang der Oberfläche ermöglichen. Diese Antennen geben ultraschnelle Laserimpulse an das Array ab, woraufhin ultrakurze Elektronenimpulse an die verschiedenen Schichten der Stapelstruktur abgegeben werden. Dies ermöglicht den Forschern die Abbildung der von den Antennen angeregten Plasmonen zwischen der Silberschicht und der Siliciumnitridmembran. Mit der ultraschnellen PINEM-Technik können Forscher die propagierten Lichtwellen sogar filmen und deren Strahlprofil auslesen. Salopp formuliert könnte man sagen, dass Forscher mit den im Rahmen des USED-Projekts und des TRUEVIEW-Projekts entwickelten Techniken durch Wände sehen können. Auf Basis der dadurch gewonnenen Erkenntnisse können sie dann die oberflächengebundenen plasmonischen Felder auf Stapelstrukturen erzeugen, die für optoelektronische Geräte benötigt werden. Weitere Informationen: Website von LUMES (Laboratory for Ultrafast Microscopy and Electron Scattering)
Länder
Schweiz