Natuurkundigen van de Universiteit van Würzburg hebben elektrische signalen omgezet in fotonen en deze in specifieke richtingen uitgestraald met behulp van een optische antenne met een klein oppervlak van slechts 800 nanometer groot.

Directionele antennes zetten elektrische signalen om in radiogolven en zenden ze in een bepaalde richting uit, waardoor betere prestaties en minder interferentie mogelijk zijn. Dit principe, die nuttig is in radiogolftechnologie, zou ook interessant kunnen zijn voor geminiaturiseerde lichtbronnen. Ten slotte, bijna alle op internet gebaseerde communicatie maakt gebruik van optische lichtcommunicatie. Richtantennes voor licht kunnen worden gebruikt om gegevens tussen verschillende processorkernen uit te wisselen met weinig verlies en met de snelheid van het licht. Om antennes in staat te stellen te werken met de zeer korte golflengten van zichtbaar licht, dergelijke richtantennes moeten worden verkleind tot nanometerschaal.

Würzburgse natuurkundigen hebben nu de basis voor deze technologie gelegd in een baanbrekende publicatie:In het tijdschrift " Natuurcommunicatie ", ze beschrijven voor het eerst hoe gericht infrarood licht kan worden gegenereerd met behulp van een elektrisch aangedreven Yagi-Uda-antenne van goud. De antenne is ontwikkeld door de nano-optica-werkgroep van professor Bert Hecht, die de leerstoel Experimentele Fysica 5 bekleedt aan de Universiteit van Würzburg. De naam "Yagi-Uda" is afgeleid van de twee Japanse onderzoekers, Hidetsugu Yagi en Shintaro Uda, die in de jaren twintig de antenne uitvond.

De wetten van optische antennetechnologie toepassen

Hoe ziet een Yagi-Uda antenne voor licht eruit? "In principe, het werkt op dezelfde manier als zijn grote broers voor radiogolven, " legt Dr. René Kullock uit, een lid van het nano-optica-team. Er wordt een wisselspanning aangelegd die ervoor zorgt dat elektronen in het metaal gaan trillen en de antennes daardoor elektromagnetische golven uitstralen. "In het geval van een Yagi-Uda-antenne, echter, dit gebeurt niet gelijkmatig in alle richtingen maar door de selectieve superpositie van de uitgestraalde golven met behulp van speciale elementen, de zogenaamde reflectoren en regisseurs, ", zegt Kullock. "Dit resulteert in constructieve interferentie in de ene richting en destructieve interferentie in alle andere richtingen." zo'n antenne zou alleen licht kunnen ontvangen dat uit dezelfde richting komt als hij als ontvanger wordt gebruikt.

Het toepassen van de wetten van antennetechnologie op antennes op nanometerschaal die licht uitstralen, is technisch een uitdaging. Een tijdje geleden, de Würzburgse natuurkundigen konden al aantonen dat het principe van een elektrisch aangedreven lichtantenne werkt. Maar om een ​​relatief complexe Yagi-Uda-antenne te maken, ze moesten met nieuwe ideeën komen. Uiteindelijk, ze slaagden dankzij een uitgekiende productietechniek:"We bombardeerden goud met galliumionen waardoor we met grote precisie de antennevorm met alle reflectoren en regisseurs en de nodige verbindingsdraden uit hoogzuivere goudkristallen konden snijden, ", legt Bert Hecht uit.

In een volgende stap, de natuurkundigen plaatsten een gouden nanodeeltje in het actieve element zodat het de ene draad van het actieve element raakt, terwijl ze slechts één nanometer afstand hielden tot de andere draad. "Deze kloof is zo smal dat elektronen deze kunnen oversteken wanneer er spanning wordt aangelegd met behulp van een proces dat bekend staat als kwantumtunneling, " legt Kullock uit. Deze ladingsbeweging genereert trillingen met optische frequenties in de antenne die dankzij de speciale opstelling van de reflectoren en regisseurs in een specifieke richting worden uitgezonden.

Nauwkeurigheid afhankelijk van aantal bestuurders

De Würzburg-onderzoekers zijn gefascineerd door de ongebruikelijke eigenschap van hun nieuwe antenne die licht in een bepaalde richting uitstraalt, hoewel deze erg klein is. Net als in hun "grotere tegenhangers, " de radiogolfantennes, de richtingsnauwkeurigheid van de lichtemissie van de nieuwe optische antenne wordt bepaald door het aantal antenne-elementen. "Dit heeft ons in staat gesteld om 's werelds kleinste elektrisch aangedreven lichtbron tot nu toe te bouwen die in staat is om licht in een specifieke richting uit te stralen, Hechte details.

Echter, er is nog veel werk aan de winkel voordat de nieuwe vinding in de praktijk kan worden toegepast. Ten eerste, de natuurkundigen moeten werken aan de tegenhanger die lichtsignalen ontvangt. Ten tweede, ze moeten de efficiëntie en stabiliteit verhogen.