Spezielle Antennen-Geometrien können Strahlung aus bestimmten Richtungen
bevorzugen. Eine solche nach einer Richtung orientierte TV-Antenne ist die Yagi-Uda-Antenne, deren
Konzept für Radio- und Radarsignale bereits 1926 realisiert wurde. Diese Antenne, die aus einer
parallelen Anordnung von unterschiedlich langen Stabantennen besteht, kann Signale aus einer
ausgewiesenen Richtung fünf bis zehn Mal effizienter empfangen als eine einfache Stabantenne. Sind
mehrere Yagi-Uda-Antennen in einem Antennenfeld angeordnet, verstärkt sich das empfangene Signal
zusätzlich um ein Vielfaches. Solche Antennenfelder werden für die Signalübertragung über sehr
große Distanzen eingesetzt, zum Beispiel für die Kommunikation mit Satelliten.
Die Stuttgarter Wissenschaftler ließen sich von dieser hoch effizienten
Signalübertragung aus der Nachrichtentechnik inspirieren und skalierten das Konzept von
Yagi-Uda-Antennenfeldern zu optischen Wellenlängen. Hierzu stellte Doktorand Daniel Dregely
winzige, nur etwa 100 Nanometer große Golddrähte unterschiedlicher Länge her, die er nanometergenau
übereinander anordnete. Dazwischen brachte er Abstandsschichten mit glasähnlichen Eigenschaften
ein. Diese dreidimensionalen einzelnen Nano-Yagi-Uda-Antennen ordnete er periodisch in
Antennenfeldern an.
Wie sich herausstellte, hängt die vom Antennenfeld absorbierte Energie stark vom
Einfallswinkel und von der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Welle ab. Die Forscher
zeigten, dass eine einfallende Welle mit Schwingungsfrequenz um 200 THz maximal absorbiert wird,
wenn ihre Einfallsrichtung mit der ausgewiesenen Antennenachse der einzelnen Yagi-Uda-Antennen
übereinstimmt. Bei dieser Frequenz und Einfallsrichtung wird die 1.500 Nanometer lange Welle auf
einen Bereich gebündelt, der nur etwa 100 nm groß ist. Dies kann in Zukunft für die Realisierung
von hochempfindlichen Detektoren im Nahinfrarotbereich genutzt werden.
Die Wissenschaftler, die zusammen im Forschungszentrum SCoPE (Stuttgart Center of
Photonics Engineering) arbeiten, zeigten außerdem mit Hilfe von numerischen Berechnungen, dass
diese optischen Antennenfelder auch als effiziente Sender arbeiten. Über eine phasengesteuerte
Anregung der einzelnen Nano-Yagi-Uda-Antennen im Feld kann die Abstrahlungsrichtung optischer
Wellenlängen präzise eingestellt werden. Die Forscher versprechen sich dadurch die Realisierung
eines „phased arrays“ für optische Wellenlängen und somit völlig neuartige Möglichkeiten der
optischen Datenübertragung im Mikrometerbereich, zum Beispiel auf Platinen in
Hochgeschwindigkeitsrechnern oder auf Mikrochips.
*) Daniel Dregely, Richard Taubert, Jens Dorfmüller, Ralf Vogelgesang, Klaus
Kern, and Harald Giessen: “3D optical Yagi-Uda nanoantenna array“,
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1268
Weitere Informationen und Bilder unter www.pi4.uni-stuttgart.de sowie bei
Prof. Harald Giessen, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-65111,
e-mail giessen@physik.uni-stuttgart.de oder
Daniel Dregely, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-64961, e-mail
d.dregely@physik.uni-stuttgart.de