Asymmetrische Nano-Antennen liefern Femtosekunden-Pulse für Optoelektronik

Auf dem Weg zur Terahertz-Elektronik

Einige Femtosekunden lange Pulse des Pump-Lasers (links) erzeugen elektrische on-chip Pulse im Terahertz-Frequenzbereich. Mit dem rechten Laser wird die Information wieder ausgelesen. (Bild: Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM)
Einige Femtosekunden lange Pulse des Pump-Lasers (links) erzeugen elektrische on-chip Pulse im Terahertz-Frequenzbereich. Mit dem rechten Laser wird die Information wieder ausgelesen. (Bild: Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM)

Forschung

Einem Team unter Leitung der TUM-Physiker Alexander Holleitner und Reinhard Kienberger ist es erstmals gelungen, mit Hilfe nur wenige Nanometer großer Metallantennen ultrakurze, elektrische Pulse auf einem Chip zu erzeugen, diese dann einige Millimeter weiter wieder kontrolliert auszulesen. Die Technik ermöglicht die Entwicklung neuer, leistungsstarker Terahertz-Komponenten.

Die klassische Elektronik ermöglicht Frequenzen bis etwa 100 Gigahertz, die Opto-Elektronik nutzt elektromagnetische Phänomene ab zehn Terahertz. Der Bereich dazwischen gilt als sogenannte Terahertz-Lücke, da Bauelemente zur Signalerzeugung, Umwandlung und Detektion in diesem bislang extrem schwierig zu realisieren sind.

Den TUM-Physikern Alexander Holleitner und Reinhard Kienberger ist es mit Hilfe winziger, sogenannter plasmonischer Antennen gelungen, elektrische Pulse im Frequenz-Bereich von bis zu zehn Terahertz zu generieren und über einen Chip laufen zu lassen. Plasmonisch nennen Forscher die Antennen, wenn diese aufgrund ihrer Form die Lichtintensität an den Metalloberflächen verstärken.

Asymmetrische Antennen

Der Form der Antennen kommt eine wichtige Bedeutung zu. Sie sind asymmetrisch, eine Seite der nanometergroßen Metallstrukturen ist spitzer als die andere. Regt ein über eine Linse fokussierter Laserpuls die Antennen an, emittieren sie an ihrer spitzen Seite mehr Elektronen als an der gegenüberliegenden flachen. Zwischen den Kontakten fließt ein elektrischer Strom – aber nur solange die Antennen mit dem Laserlicht angeregt werden.

„Bei der Photoemission werden Elektronen, durch den Lichtpuls ausgelöst, aus dem Metall in das Vakuum ausgesendet“, erklärt Christoph Karnetzky, Erstautor der Nature-Arbeit. „Alle Lichteffekte sind auf der spitzen Seite stärker, auch die Photoemission, mit deren Hilfe wir einen kleinen Strom generieren.“

Ultrakurze Terahertz-Signale

Die Lichtpulse waren nur wenige Femtosekunden lang, entsprechend kurz waren auch die elektrischen Pulse in den Antennen. Technisch ist der Aufbau besonders interessant, weil die Nano-Antennen in mehrere Millimeter große Terahertz-Schaltkreise integriert werden konnten.

Ein Femtosekunden-Laserpuls mit einer Frequenz von 200 Terahertz könne in den Schaltkreisen auf dem Chip ein ultrakurzes Terahertz-Signal mit einer Frequenz von bis zu 10 Terahertz erzeugen, so Karnetzky.

Als Chip-Material verwendeten die Forscher Saphir, weil es sich optisch nicht anregen lässt und deshalb keine Störung verursacht. Im Hinblick auf zukünftige Einsatzmöglichkeiten setzten sie Laser mit einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern ein, wie sie in herkömmlichen Internet-Glasfaserkabeln genutzt werden.

Eine erstaunliche Entdeckung

Holleitner und seine Kollegen machten noch eine weitere erstaunliche Entdeckung: Sowohl die elektrischen als auch die Terahertz-Pulse hingen nicht-linear von der Anregungsleistung des benutzten Lasers ab. Dies deutet darauf hin, dass die Photoemission in den Antennen durch die Absorption von mehreren Photonen pro Lichtpuls ausgelöst wird.

„Derart schnelle, nichtlineare on-chip Pulse gab es bisher noch nicht“, sagt Alexander Holleitner, und hofft, mit Hilfe dieser noch schnellere Tunnel-Emissionseffekte in den Antennen entdecken und auch für Chip-Anwendungen nutzen zu können.

Publikation:

Towards femtosecond on-chip electronics based on plasmonic hot electron nano-emitters.
C. Karnetzky, P. Zimmermann, C. Trummer, C. Duque-Sierra, M. Wörle, R. Kienberger, A. Holleitner; Nature Communications June 25, 2018 – DOI: 10.1038/s41467-018-04666-y

Mehr Informationen:

Die Experimente wurden mit Mitteln des European Research Council (ERC) im Rahmen des Projekts „NanoREAL“ und des DFG Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) finanziell gefördert.

Kontakt:

Prof. Dr. Alexander Holleitner
Walter Schottky Institut / Physik-Department
Zentrum für Nanotechnologie und Nanomaterialien
Technische Universität München
Am Coulombwall 4a, 85748 Garching, Germany
Tel: +49 89 289 11575
holleitner@wsi.tum.de

Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Physik-Department E11
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel: +49 89 289 12840
reinhard.kienberger@tum.de

Einige Femtosekunden lange Pulse des Pump-Lasers (links) erzeugen elektrische on-chip Pulse im Terahertz-Frequenzbereich. (Bild: Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM)
Einige Femtosekunden lange Pulse des Pump-Lasers (links) erzeugen elektrische on-chip Pulse im Terahertz-Frequenzbereich. (Bild: Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM)
Elektronenmikroskopische Aufnahme des Chips mit asymmetrischen plasmonischen Antennen aus Gold auf Saphir. (Bild: Holleitner / TUM)
Elektronenmikroskopische Aufnahme des Chips mit asymmetrischen plasmonischen Antennen aus Gold auf Saphir. (Bild: Holleitner / TUM)