Ein Miniaturgefängnis für Photonen: Das ist die nanocavity, die Forscher der Universität Twente entdeckt haben. Es handelt sich um einen extrem kleinen Hohlraum, der von allen Seiten von einem photonischen Kristall umgeben ist – einer Struktur von Poren, die senkrecht zueinander stehen. Die „Gefangennahme“ von Photonen in einem Hohlraum kann zu effizienten Miniaturlasern und LEDs, zur optischen Speicherung von Informationen oder zu empfindlichen Sensoren für biomedizinische Anwendungen führen.

Photonik

Techniken zum „Einfangen“ von Licht stellen eine Grundlage der Photonik dar. Ein bekannter „Hohlraum“ besteht aus zwei parallel angebrachten Spiegeln, zwischen denen eine stehende Welle einer bestimmten Lichtfarbe entsteht. Das ist das Prinzip des Lasers. Licht, das seitlich austritt, wird allerdings von den Spiegeln nicht mehr reflektiert. Diese Ineffizienz kann verhindert werden, indem man ein Photon rundum mit Spiegeln umgibt, so die Forscher der UT. In diesem Fall sind die Spiegel dreidimensionale photonische Kristalle. Sie bestehen aus Vertiefungen oder Poren, die tief in Silizium geätzt sind und in zwei Richtungen senkrecht zueinander stehen.

Bewusste Störung

Photonische Kristalle sind bekannt für ihre besonderen Lichteigenschaften. Die Struktur und die Regelmäßigkeit der Poren sind so gewählt, dass sich nur Licht bestimmter Wellenlängen ausbreiten kann. Aber wie soll dann in den Kristall tief in diese Struktur eine Unregelmäßigkeit oder ein Defekt eingebaut werden, so dass das Photon eingeschlossen wird? Dies ist möglich, wie die UT-Forscher in ihrer Publikation beschrieben, indem sie bei zwei senkrecht zueinander stehenden Poren bewusst den Durchmesser veränderten. Wo sie sich kreuzen, entsteht der Hohlraum, der auf allen Seiten von der regelmäßigen Kristallstruktur umgeben ist. Für das Photon gibt es kein Entkommen!

Leichtgewicht

Wird die Gleichmäßigkeit der Kristallstruktur lokal geändert, scheint der Kristall auch eine beträchtliche Lichtabsorption im sichtbaren Bereich zu gewinnen, die bis zum Zehnfachen der Absorption von „unbehandeltem“ Silizium beträgt. Dies ist eine interessante Eigenschaft für Sensoren. Durch die hohe Porendichte ist der Kristall auch leicht – die Forscher sprechen von „holyness“. Die Kristalle können zudem in die aktuelle Siliziumtechnologie integriert werden.

Lichtchips

Zuvor hatten die Forscher gezeigt, dass photonische Kristalle mit einer Diamantstruktur das Licht über ein sehr breites Farbspektrum und in alle Winkel reflektieren können. Diese Forschung war die Grundlage für die neue, nun vorgestellte Entdeckung. Es wird erwartet, dass die Hohlräume bei photonischen Chips auch zur Speicherung und zur Verarbeitung von Lichtsignalen eine wichtige Rolle spielen werden.

Quelle: Universität Twente