Einem Forschendenteam ist es – unter Federführung des Leibniz-IPHT aus Jena – gelungen, smarte optische Nanostrukturdesigns zu erzeugen, die die Lichtemission einzelner Quantenemitter gezielt lenken und kontrollieren  können. Damit stellen die Forschenden wichtige Weichen, um effiziente photonische Schaltkreise zu entwickeln, die beispielsweise Einsatz in der drahtlosen optischen Kommunikation finden können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der renommierten Fachzeitschrift ACS Nano.
 
Um funktionale und nanoskopisch kleine Strukturen mit definierten Eigenschaften zu erzeugen, kann auf die sogenannte DNA-Origami-Technik zurückgegriffen werden. Mit dieser Technik können Forschende komplexe Nanostrukturen erzeugen, indem sie lange DNA-Stränge in ein geeignetes dreidimensionales Gerüst falten, um metallische Nanopartikel in der gewünschten räumlichen Anordnung auszurichten. Angetrieben durch Quantenemitter, wie einzelne Farbstoffmoleküle, können die so entstehenden hybriden Nanostrukturen schließlich als gerichtete Einzelphotonen-Lichtquelle in photonischen Nanoschaltkreisen eingesetzt werden, die Licht zur Signalverarbeitung nutzen. Ihr spezifisches Design erlaubt es, die Ausbreitungsrichtung der emittierten Photonen gezielt zu steuern.
 
In ihrer aktuellen Forschungsarbeit, welche sie in der Fachzeitschrift ACS Nano präsentieren, entwickelten die Forschenden des Leibniz-IPHT mithilfe der DNA-Origami-Fertigungstechnologie einen äußerst kompakten Metaemitter mit einer Größe von unter 150 Nanometern (was in etwa der Größe des Corona-Virus entspricht). Hierzu kombinierten sie drei 60 Nanometer große kugelförmige Goldnanopartikel miteinander, die mittels eines dreieckigen DNA-Origami zusammengehalten werden. Ein fluoreszierendes Farbstoffmolekül, das die Photonen emittiert, wird durch Biegen des DNA-Origami geschickt in der Mitte der Lücke zwischen zwei Gold-Nanopartikeln platziert. Diese auch als Nanoantenne bezeichnete funktionelle Nanostruktur besitzt die besondere Eigenschaft, das emittierte Licht gezielt in eine bestimmte Richtung steuern zu können.
 
„Unsere Methode ermöglicht es uns, einen Metaemitter zu kreieren, der eine unidirektionale Lichtemission erlaubt, was für Anwendungen in der Quantenkommunikation und in drahtlosen optischen Nanoschaltkreisen hochinteressant ist. Die Emissionsrichtung können wir unter anderem durch die Form und Größe der Goldnanopartikel sowie die Position des Fluorophors beeinflussen. Damit können wir die Emissionseigenschaften exakt manipulieren und sicherstellen, dass sich die emittierten Photonen nicht omnidirektional, sondern nur in eine Richtung ausbreiten“, so Ayşe Tuğça Mina Yeşilyurt, Erstautorin des Papers und Doktorandin in der Forschungsabteilung Nanooptik am Leibniz-IPHT.
 
Der von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entworfene Metaemitter kann nicht nur die Emissionsrichtung des Emitters deutlich verbessern, sondern auch seine Helligkeit erhöhen. In ihren experimentellen Studien konnten die Forschenden zeigen, dass das plasmonische Nanoantennen-Design die Emission um das 23-Fache verstärken kann – bei gleichzeitiger Verkleinerung der Grundfläche um mindestens das Fünffache im Vergleich zu ihren bisher realisierten Yagi-Uda-Nanoantennen. Damit legen sie die Grundlagen, die Effizienz in der drahtlosen optischen Kommunikation zu steigern.
 
Wissenschaftliche Publikation
 
Die ursprüngliche Idee zu dieser Arbeit entstand während des traditionellen Dornburg-Seminars des Leibniz-IPHT im Jahr 2017 zwischen den Forschungsabteilungen Nanooptik und Nanobiophotonik am Leibniz-IPHT, die an plasmonischen unidirektionalen Nanoantennen bzw. DNA-Nanotechnologien arbeiten.
 
Gemeinsam mit der Gruppe um Prof. Guillermo Acuna von der Universität Freiburg, Schweiz, veröffentlichten die Forschenden ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift ACS Nano:
 
A. T. M. Yeşilyurt, M. Sanz-Paz, F. Zhu, X. Wu, K. Suma Sunil, G. P. Acuna, J.-S. Huang, Unidirectional Meta-Emitters Based on the Kerker Condition Assembled by DNA Origami, ACS Nano (2023), https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05649
 
Im Bild:

Ayşe Tuğça Mina Yeşilyurt, Erstautorin des Papers und Doktorandin in der Forschungsabteilung Nanooptik am Leibniz-IPHT (links im Bild), sowie PD Dr. Jer-Shing Huang, Leiter der Forschungsabteilung Nanoptik (rechts im Bild)