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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Montag, 25. Juni 2018

Auf dem Weg zu Femtosekunden On-Chip-Elektronik

Nanooptik

Photoemission von Elektronen in plasmonischen Kontakten. Bild: C. Karnetzky

Photoemission von Elektronen in plasmonischen Kontakten. Bild: C. Karnetzky

Licht kann mit Hilfe von plasmonischen Metallantennen auf der Nanometerskala gebündelt und verstärkt werden. Durch den Effekt der Photoemission von Elektronen können damit auch ultrakurze elektrische Pulse erzeugt werden und auf einer Millimeterskala über einen Chip propagieren, wie NIM-Physiker Prof. Alexander Holleitner und Kollegen nun zeigen.

Die klassische Elektronik beschreibt Schaltkreise bis zu Frequenzen von etwa 100 GHz, wohingegen die sogenannte ‚Optik‘ elektromagnetische Phänomene ab 10 THz erfasst. Der Frequenzbereich dazwischen wird gelegentlich als THz-Lücke bezeichnet, da es hierfür kaum leistungsstarke Signalgeneratoren, -detektoren und -wandler gibt. Eine weitere Anforderung für passende THz-Komponenten wird durch die Miniaturisierung der Computer-Transistoren mit einer räumlichen Ausdehnung von unter 10 nm vorgegeben.
Den Gruppen von Professor Öffnet externen Link in neuem FensterAlexander Holleitner und Professor Öffnet externen Link in neuem FensterReinhard Kienberger ist es gelungen, mit Hilfe nanoskaliger plasmonischer Antennen elektrische Pulse im Frequenz-Bereich von bis zu 10 THz zu generieren und über einen Chip laufen zu lassen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in Nature Communications veröffentlicht.

Elektronenübertragung mittels plasmonischer Nano-Antennen
Die Physiker gestalteten die Nano-Antennen asymmetrisch, d.h. eine der beiden Seiten der plasmonischen Metallstrukturen ist spitzer als die andere. Bei asymmetrischen Antennen werden also mehr Elektronen von den spitzen Seite als von der flachen gegenüberliegenden Seite emittiert, womit sich ein gerichteter elektrischer Strom zwischen den Kontakten der Antennen messen lässt.
Das interessante ist, dass der Strom nur fließt, solange ein Lichtpuls die plasmonische Antennen anregt. „Alle Lichteffekte sind auf der spitzen Seite stärker, auch der Effekt der Photoemission, womit wir einen kleinen Strom generieren. Bei der Photoemission werden nämlich Elektronen aufgrund eines Lichtpulses aus dem Metall in das Vakuum emittiert.“ erklärt Erstautor Christoph Karnetzky.

Dazu nutzten die Physiker Lichtpulse mit einer zeitlichen Länge von nur wenigen Femtosekunden. Entsprechend kurz waren die elektrischen Pulse in den asymmetrischen, plasmonischen Antennen. Das Besondere an dem Experiment war, dass die Nano-Antennen in viel größere, makroskopische THz-Schaltkreise integriert waren.
Daher generierte jeder elektrische Femtosekunden-Puls wiederum ein THz-Signal in den makroskopischen Schaltkreisen, die über mehrere Millimeter auf Saphir-Chips definiert waren. Entsprechende Pulse konnten in den Schaltkreisen mit einer Frequenz von bis zu 10 THz propagieren. Karnetzky weiter: „Ein anregender optischer Femtosekunden-Lichtpuls mit einer Frequenz von etwa 200 THz kann mit Hilfe der Nano-Antennen also ein ultrakurzes on-chip THz-Signal mit einer Frequenz von bis zu 10 THz  erzeugen.“

Nichtlineare THz-Pulse
Holleitner und seine Kollegen machten die erstaunliche Entdeckung, dass sowohl die elektrischen als auch die THz-Pulse nicht-linear von der Anregungsleistung des benutzten Lasers abhingen. Dies deutet darauf hin, dass die Photoemission in den plasmonischen Antennen durch die Absorption von mehreren Photonen in einem Lichtpuls induziert war.
Nicht-lineare THz-Pulse lassen hoffen, dass entsprechende THz-Schaltkreise ermöglichen, noch schnellere Tunnel-Emissionseffekte in den plasmonischen Antennen zu untersuchen und diese auch für eine Signal-Propagation in Chip-basierten Schaltkreisen anwendbar zu machen. So war es den Physikern wichtig, eine Lichtwellenlänge von etwa 1.5 µm zu verwenden, wo unter anderem die Absorptionsverluste in herkömmlichen Internet-Glasfaserkabeln gering sind.

Förderung:
Die Experimente sind durch den European Research Council (ERC) im Rahmen des Projekts „NanoREAL“ und des DFG Excellenzclusters “Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) finanziell gefördert.

Publikation:
Towards femtosecond on-chip electronics based on plasmonic hot electron nano-emitters
.
Karnetzky C, Zimmermann P, Trummer C, Duque-Sierra C, Wörle M, Kienberger R, Holleitner A. Nature Communications 2018


Kontakt:

Prof. Dr. Alexander Holleitner
Walter Schottky Institut / Physik-Department
Zentrum für Nanotechnologie und Nanomaterialien
Technische Universität München
Am Coulombwall 4a
D - 85748 Garching

Tel: +49 (0)89 - 289-11575

E-Mail: Opens window for sending emailholleitner(at)wsi.tum.de

Web: Opens external link in new windowwww.wsi.tum.de

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